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量子反常霍尔效应
日期:2014-07-02   |   编辑:科研学报部    

量子反常霍尔效应:中国诺贝尔奖级别的研究突破

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

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

我国获凝聚态物理领域重大突破获将触及诺奖

“这个研究成果是从中国实验室里,第一次发表出来了诺贝尔物理奖级别的论文,这不仅是清华大学、中科院的喜事,也是整个国家发展中喜事。”4月10日,诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授高度评价了我国科学家的重大发现——量子反常霍尔效应。

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组成的试验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这一世界基础研究领域的重大研究成果,从理论研究到实验观测全部由我国科学家独立完成。美国《科学》杂志于3月14日在线发表这一研究成果。由于此前和量子霍尔效应有关的科研成果已经3获诺贝尔奖,业界很多人士对这项“可能是量子霍尔效应家族最后一个重要成员”的研究给予了极高的关注和期望。那么什么是量子反常霍尔效应?对它的研究为什么引起世界各国科学家的兴趣?它的发现有什么重大意义?

重要性

突破摩尔定律瓶颈 加速推动信息技术革命进程

在认识量子反常霍尔效应之前,让我们先来了解一下量子霍尔效应。量子霍尔效应,于1980年被德国科学家发现,是整个凝聚态物理领域中重要、最基本的量子效应之一。它的应用前景非常广泛。

薛其坤院士举了个简单地例子:我们使用计算机的时候,会遇到计算机发热、能量损耗速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生热量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则,让他们在各自的跑道上“一往无前”地前进。“这就好比一辆高级跑车,常态下是在拥挤的农贸市场上前进,而在量子反常霍尔效应下,则可以在‘各行其道、互不干扰’的高速路上前进。”薛其坤打了个形象的比喻。

然而,量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场,“相当于外加10个计算机大的磁铁,这不但体积庞大,而且价格昂贵,不适合个人电脑和便携式计算机。”薛其坤说,而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场,在零磁场中就可以实现量子霍尔态,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

自1988年开始,就不断有理论物理学家提出各种方案,然而在实验上没有取得任何进展。2010年,我国理论物理学家方忠、戴希等与拓扑绝缘体领域的开创者之一张首晟教授合作,提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等有多个世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应,但一直没有取得突破。

薛其坤团队经过近4年的研究,生长测量了1000多个样品。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观测到了量子反常霍尔效应。

“量子反常霍尔效应可在未来解决摩尔定律瓶颈问题,它发现或将带来下一次信息技术革命,我国科学家为国家争夺了这场信息革命中的战略制高点。”拓扑绝缘体领域的开创者之一、清华大学“千人计划”张首晟教授说。

创新性

让实验材料同时具备“速度、高度和灵巧度”

从美国物理学家霍尔丹于1988年提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应,到我国科学家为这一预言画上完美句号,中间经过了20多年。课题组成员、中科院物理所副研究员何珂告诉记者:“量子反常霍尔效应实现非常困难,需要精准的材料设计、制备与调控。尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径,但所需的材料和结构非常难以制备,因此在实验上进展缓慢。

“这就如同要求一个运动员同时具有刘翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的灵巧度。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。”课题组成员、清华大学王亚愚教授这样描述实验对材料要求的苛刻程度。

实验中,材料必须具有铁磁性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,只有一维边缘态参与导电;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,即一维导电通道。

2010年,课题组完成了对1纳米到6纳米(头发丝粗细的万分之一)厚度薄膜的生长和输运测量,得到了系统的结果,从而使得准二维超薄膜的生长测量成为可能。

2011年,课题组实现了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控,使得其体材料成为真正的绝缘体,去除了其对输运性质的影响。

2012年初,课题组在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性,并利用外加栅极电压对其电子结构进行原位精密调控。

2012年10月,课题组终于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——世界难题得以攻克。

课题组克服薄膜生长、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,最终为这一物理界的预言画上了完美句号。

“下一步我们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。”王亚愚告诉记者。

外界评说

这是凝聚态物理界一项里程碑式的工作

“实验成果出来以后,量子霍尔效应的发现者给我发了一封邮件。他写道:我深信拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应是科学上王冠上的明星。”张首晟向记者展示了这封邮件。

《科学》杂志的一位审稿人说“这项工作毫无疑问地证实了与普通量子霍尔效应不同来源的单通道边缘态的存在。我认为这是凝聚态物理学一项非常重要的成就。”另一位审稿人说“这篇文章结束了多年来对无朗道能级的量子霍尔效应的探寻。这是一篇里程碑式的文章。”

延伸阅读

霍尔效应与反常霍尔效应

霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一个物理效应。在一个通有电流的导体中,如果施加一个垂直于电流方向的磁场,由于洛伦兹力的作用,电子的运动轨迹将产生偏转,从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压,这个电磁输运现象就是著名的霍尔效应。产生的横向电压被称为霍尔电压,霍尔电压与施加的电流之比则被称为霍尔电阻。由于洛伦兹力的大小与磁场成正比,所以霍尔电阻也与磁场成线性变化关系。

1880年,霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现,即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应,这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同,因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转。反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的,因此是一类新的重要物理效应。

量子霍尔效应的相关研究已3获得诺尔贝奖

量子霍尔效应在凝聚态物理的研究中占据着极其重要的地位。它就像一个富矿,一代又一代科学家为之着迷和献身,他们的成就也多次获得诺贝尔物理奖。

1985年,诺贝尔物理奖颁给了德国科学家冯·克利青,他于1980年发现了整数量子霍尔效应。

1998年,诺贝尔物理奖颁给了美国科学家:美籍华人物理学家崔琦、施特默和劳弗林。前两人于1982年发现了分数量子霍尔效应,而后者则对这一效应进一步给出了理论解释。

2010年,诺贝尔物理奖颁给了英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。他们俩在2005年发现了石墨烯中的半整数量子霍尔效应。

此外,量子化自旋霍尔效应于2007年被发现,2010年获得欧洲物理奖,2012年获得美国物理学会巴克利奖。

(中国科技网) 

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