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《自然》:中国科大首次观测到三维量子霍尔效

来源:http://www.65wine.com 作者:生命科学 人气:156 发布时间:2019-09-28
摘要:《自然》:中国科大首次观测到三维量子霍尔效应 由中国科学技术大学、中国科学院、美国社会科学院乔振华教授领导的研究小组。南方科技大学张立元教授首次对ZrTe5晶体中的三维量
《自然》:中国科大首次观测到三维量子霍尔效应

由中国科学技术大学、中国科学院、美国社会科学院乔振华教授领导的研究小组。南方科技大学张立元教授首次对ZrTe5晶体中的三维量子霍尔效应进行了实验观察。

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从八十年代初在二维电子体系中发现至今,量子霍尔效应作为超导之外的另一个著名宏观量子现象在凝聚态物理中催生出了一个越趋活跃的研究领域。其内在本质,是将数学中的拓扑概念引入物理,超越了Landau根据对称性破缺理论对物质分类的传统标准,为近年的拓扑物态与拓扑材料的快速发展奠定了基础。

这项研究发表在《自然》杂志上(“ZrTe5中的三维量子霍尔效应和金属-绝缘体跃迁”)。

今天凌晨,复旦大学物理学系修发贤课题组关于三维量子霍尔效应的突破性原创成果在线发表于《自然》(Nature)。20世纪以来,已有四个诺贝尔奖与量子霍尔效应直接相关。而此前这一领域的研究仍停留于二维体系。在本次成果中,修发贤教授课题组在拓扑狄拉克半金属砷化镉材料里观测到三维量子霍尔效应,通过实验证明电子的隧穿过程,迈出从二维到三维的关键一步,开拓了全新的研究维度。

量子霍尔效应是否只存在于二维体系?这个基础问题从二维量子霍尔效应发现后不久即引起领域的关注。早在1987年,Bertrand Halperin从理论上就预言了三维量子霍尔效应的存在和它的测量特征。但要验证这个新奇效应,对材料体系与测量手段的要求都非常高;尽管已有诸多尝试,实验上仍缺乏可信的观测证据。

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合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系的乔振华教授与南方科技大学张立源教授、新加坡科技设计大学杨声远教授、美国佛罗里达州立大学的杨昆教授、麻省理工学院的Patrick A. Lee教授和布鲁海文国家实验室的Genda Gu教授等理论与实验合作,在碲化锆块体单晶体材料中首次观测到三维量子霍尔效应的明确证据,并指出该效应可能是由于磁场下相互作用产生的电荷密度波诱导的。这一重要研究成果5月9日在线发表在国际权威学术期刊《自然》上。

在ZrTe5系统中观察到三维量子霍尔效应。(图片来源:王国燕,何聪)

据修发贤介绍,该效应与传统的二维量子霍尔不同,存在特殊的电子轨道,称为外尔轨道,电子可以从上表面穿越到下表面,然后再回到上表面。打个比方,一个房间有天花板和地面,形成三维空间,电子可以从天花板穿越房间到达地面,然后从地面再回到天花板。

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正常情况下,电子沿直线运动——这意味着电流通常沿电压降的方向流动。当磁场作用于垂直于电流的方向时,会对载流子施加横向力,从而产生横向电位差。这种现象就是著名的霍尔效应。

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1980年,德国物理学家克劳斯·冯·克里津发现了霍尔效应的量子力学版本。1987年,哈佛大学的伯特兰·哈尔佩林提出了这种三维量子霍尔效应的签名。在三维系统中实现量子霍尔效应的直接策略是将二维拓扑材料逐层叠加。在每一层的边界上,电子可以像水中的一条畅通无阻的船一样向前移动。然而,每个边界之间的能量差距的存在阻碍了电子从一层到另一层的运动。在这种情况下,这样的系统仍然是二维的。

修发贤团队

碲化锆是一种新型的三维层状材料,具有独特的热电性能和对温度的异常电阻依赖性。2014年以来,张教授的团队一直在研究ZrTe5的拓扑特性,发现ZrTe5是研究三维量子霍尔效应的理想平台。2017年,乔教授的团队开始与张的团队紧密合作。他们把三维量子霍尔效应在体材料上的观察变成了现实。

今年,修发贤课题组快于日本和美国的科学家们,率先发现了量子霍尔效应。事实上,去年11月,课题组已在《自然·通讯》上率先发布了相关成果,一两个月后日本和美国也观测到了类似的结果。但彼时限于实验条件,实际的电子运动机制并不明确。

在本研究中,研究人员发现电子-电子相互作用引起的载流子密度波是三维量子霍尔效应产生的关键因素。在这样一个系统中,电子可以在不同的能带间自由移动,就像船只在浩瀚的海洋中航行一样。

修发贤表示,其难点在于材料的制备和器件的测量。首先对材料的要求非常高,必须能够精确的控制厚度,以及具备高迁移率。第二个难点在于测量必须在极端条件下进行,即零下270多度低温和三十多特斯拉强磁场(地磁场的百万倍)。

国家科学院院士文晓刚表示:“这一发现为我们提供了一个具有潜在拓扑秩序的新物质体系。”

后来,课题组创新性地利用楔形样品实现可控的厚度变化,即把电子运动的“房子”放歪,“屋顶被倾斜了,房子内部上下表面的距离就会发生变化”,修发贤介绍。通过实验发现,电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响。这说明随着样品厚度的变化,电子的运动时间也在变。所以,电子在做与样品厚度相关的纵向运动,其隧穿行为被证明了。

自1980年量子霍尔效应被发现以来,有关2Df材料的研究受到了极大的关注,导致了霍尔效应家族的出现。成功地观测三维量子霍尔效应就像发现了一块拼图。乔教授相信,将会有更多的学者加入到对新颖的三维量子态和相变的探索中来,从而为霍尔效应家族的发展带来新的见解。

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140年前,发现霍尔效应的埃德温•霍尔(Edwin Hall)无法回答经典霍尔效应的作用。但看看今天——经典的霍尔效应已经融入了我们的日常生活。广泛应用于汽车、家电、手机等行业。那么三维量子霍尔效应在未来能做什么呢?让我们拭目以待。

2英寸单晶薄膜

该成果证明,拓扑狄拉克半金属砷化镉材料电子的传输和响应很快,迁移率达到10万,而目前使用的半导体材料一般只有几百迁移率。目前,该研究已能将砷化镉制备成2英寸单晶薄膜。未来或可用于低能耗电子器件,在红外探测、电子自旋方面做一些原型器件。

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