实验中发现量子反常霍尔效应

2013年4月10日,清华大学和中国科学院物理研究所在北京联合宣布:由清华大学薛其坤院士领衔,清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中,从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。

这一实验发现也证实了此前中科院物理研究所与斯坦福大学理论团队的预言。论文发表在上个月出版的《科学》(Science)期刊上,题为 Experimental observation of the quantum anomalous Hall effect in a magnetic topological insulator。

霍尔效应简介

  1. 1879年前后,霍尔先后发现了霍尔效应和反常霍尔效应。
  2. 1980年冯•克利青发现整数量子霍尔效应。(1985年诺贝尔物理学奖)
  3. 1982年,美籍华裔物理学家崔琦、美国物理学家施特默等发现了分数量子霍尔效应,这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出理论解释,三人共同分享了1998年诺贝尔物理奖。

霍尔效应(Hall effect)是指当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体内部的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差的现象。详见大学物理实验之霍尔效应测磁场实验

量子反常霍尔效应的理论和实验发现

物理学家认为量子霍尔效应家族中也应该存在量子反常霍尔效应。但如何使其现身并在实验上观测到成为近些年凝聚态物理学家探索的重要难题之一。拓扑绝缘体这个新领域出现之后,2006年美国斯坦福大学/清华大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应,并于2008年提出了在拓扑绝缘体中引入磁性实现量子反常霍尔效应的可能性。

要在实验上实现反常霍尔效应的量子化需要拓扑绝缘体材料同时满足三项非常苛刻的条件:材料的能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态;材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应;材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度,而要同时满足这三点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战,德国、日本、美国的科学家由于无法在材料中同时满足这三点而未取得最后的成功。

量子反常霍尔效应的示意图,拓扑非平庸的能带结构产生具有手征性的边缘态,从而导致量子反常霍尔效应

量子反常霍尔效应的示意图,拓扑非平庸的能带结构产生具有手征性的边缘态,从而导致量子反常霍尔效应

2009年起,由薛其坤院士带领的团队开始向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。在过去近四年的时间里,团队生长和测量了超过1000个样品。2012年10月,该团队利用分子束外延生长了Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3薄膜,将其制备成输运器件并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。他们发现在一定的外加栅极电压范围内,此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2 ~ 25800欧姆,从而证实了此前的理论预言。

量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一。它是一种典型的宏观量子效应,是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现。“量子反常霍尔效应”是多年来该领域的一个非常困难的重大挑战,它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质,是一种全新的量子效应;同时它的实现也更加困难,需要精准的材料设计、制备与调控。1988年美国物理学家霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应,但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。2010年中科院物理所方忠、戴希带领的团队与张首晟教授等合作,从理论与材料设计上取得了突破,他们提出Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓扑绝缘体中存在着特殊的V.Vleck铁磁交换机制,能形成稳定的铁磁绝缘体,是实现量子反常霍尔效应的最佳体系[Science,329,61(2010)]。他们的计算表明,这种磁性拓扑绝缘体多层膜在一定的厚度和磁交换强度下,即处在“量子反常霍尔效应”态。该理论与材料设计的突破引起了国际上的广泛兴趣,许多世界顶级实验室都争相投入到这场竞争中来,沿着这个思路寻找量子反常霍尔效应。

理论计算得到的磁性拓扑绝缘体多层膜的能带结构和相应的霍尔电导

理论计算得到的磁性拓扑绝缘体多层膜的能带结构和相应的霍尔电导

在Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜中测量到的霍尔电阻

在Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜中测量到的霍尔电阻

在磁性掺杂的拓扑绝缘体材料中实现“量子反常霍尔效应”,对材料生长和输运测量都提出了极高的要求:材料必须具有铁磁长程有序;铁磁交换作用必须足够强以引起能带反转,从而导致拓扑非平庸的带结构;同时体内的载流子浓度必须尽可能地低。最近,中科院物理所何珂、吕力、马旭村、王立莉、方忠、戴希等组成的团队和清华大学物理系薛其坤、张首晟、王亚愚、陈曦、贾金锋等组成的团队合作攻关,在这场国际竞争中显示了雄厚的实力。他们克服了薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关,一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控,利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,并在极低温输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”。该结果于2013年3月14日在Science上在线发表,清华大学和中国科学院物理所为共同第一作者单位。

相关文章链接:
[1]http://www.sciencemag.org/content/329/5987/61.abstract
[2]http://www.sciencemag.org/content/early/2013/03/13/science.1234414

摘自:中科院物理所 – “量子反常霍尔效应”研究取得重大突破

薛其坤院士解释量子反常霍尔效应

中国广播网就量子反常霍尔效应邀请薛其坤院士作了访谈。以下是访谈内容的节选。

薛其坤院士

薛其坤院士

什么是量子反常霍尔效应?用一个形象的比喻来说,计算机芯片里电子的运动几乎可以看成是一个无规律的,从晶体管的电极一端到达另一端的时候,就像从农贸市场的一端到达另一端的时候,电子比喻成人的话,运动过程中老碰到很多无序的话它老是要走弯路,走弯路就会造成发热,效率就不高,这是目前晶体管发热的一个重要原因之一。量子霍尔的电子被这个效应定义了一个规则,不像农贸市场的运动非常杂乱了,就像高速公路的汽车一样,按照规则进行。

量子霍尔效应研究的意义

目前,普通量子霍尔效应的产生无法被广泛应用,因为它需要非常强的磁场(通常需要的磁场强度是地球磁场的几万倍甚至几十万倍),成本非常昂贵,比较困难。但量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场。量子霍尔效应的重要性在于它可能在未来电子器件中发挥特殊的作用,用于制备低能耗的高速电子器件,从而推动信息技术的进步。

然而我们也不用高兴得太早,毕竟,实验中是在极低的温度(4mK,也就是大约零下 273摄氏度,中科院物理所研究员吕力提供技术支持)下才观察到量子反常霍尔效应的,这同样没有实用意义。实验团队下一步主要的努力方向是全面测量材料在极低温下的电子结构和输运性质,寻找更好的材料体系,在更高的温度下实现这一效应。那时,也许我们能对其应用前景作更好的判断。©

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雁过留声,人过留名

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