量子反常霍爾效應

量子反常霍爾效應

在凝聚態物理領域,量子霍爾效應研究是一個非常重要的研究方向。量子反常霍爾效應不同於量子霍爾效應,它不依賴於強磁場而由材料本身的自發磁化產生。在零磁場中就可以實現量子霍爾態,更容易套用到人們日常所需的電子器件中。自1988年開始,就不斷有理論物理學家提出各種方案,然而在實驗上沒有取得任何進展。2013年,由清華大學薛其坤院士領銜、清華大學物理系和中科院物理研究所組成的實驗團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。美國《科學》雜誌於2013年3月14日線上發表這一研究成果。

研究歷程

量子霍爾效應研究已三獲諾貝爾獎
  在凝聚態物理的研究中,量子霍爾效應占據著極其重要的地位,此前在這方面的重要工作包括——
  整數量子霍爾效應(1980年發現,1985年諾貝爾物理獎);
  分數量子霍爾效應(1982年發現,1998年諾貝爾物理獎);
  石墨烯中的半整數量子霍爾效應(2005年發現,2010年諾貝爾物理獎);
  量子化自鏇霍爾效應(2007年發現,2010年歐洲物理獎,2012年美國物理學會巴克利獎)。
  量子反常霍爾效應是在此領域的又一個重大進展,有可能是量子霍爾效應家族的最後一個重要成員

名詞解釋

量子霍爾效應,於1980年被德國科學家發現,是整個凝聚態物理領域中最重要、最基本的量子效應之一。它的套用前景非常廣泛。

我們使用計算機的時候,會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態下晶片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發生能量損耗。而量子霍爾效應則可以對電子的運動制定一個規則,讓它們在各自的跑道上“一往無前”地前進。“這就好比一輛高級跑車,常態下是在擁擠的農貿市場上前進,而在量子霍爾效應下,則可以在‘各行其道、互不乾擾’的高速路上前進。”

然而,量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場,“相當於外加10個計算機大的磁鐵,這不但體積龐大,而且價格昂貴,不適合個人電腦和攜帶型計算機。”而量子反常霍爾效應的美妙之處是不需要任何外加磁場,在零磁場中就可以實現量子霍爾態,更容易套用到人們日常所需的電子器件中。

重要性

1、由於它們體現了二維電子系統在低溫強磁場的極端條件下的奇妙量子行為;

2、這些效應可能在未來電子器件中發揮特殊的作用,可用於製備低能耗的高速電子器件。

套用前景

成果套用前景廣闊
  在當今信息社會,半導體技術飛速發展,但電腦運行中熱量如何散發成為困擾半導體和信息產業發展的一個瓶頸問題。而量子反常霍爾效應的發現將有望解決這一難題。因為這一效應可能在未來電子器件中發揮特殊作用,可用於製備低能耗的高速電子器件。科學家可使電子在不需要強磁場的情況下,按照固定軌跡運動,減少電子無規則碰撞導致的發熱和能量損耗。通過密度集成,將來計算機的體積也將大大縮小,千億次的超級計算機有望做成現在的iPad那么大。因此,這一科研成果的套用前景十分廣闊。

科研歷史

理論計算得到的磁性拓撲絕緣體多層膜的能帶結構和相應的霍爾電導。

“量子反常霍爾效應”是多年來該領域的一個非常困難的重大挑戰,它與已知的量子霍爾效應具有完全不同的物理本質,是一種全新的量子效應;同時它的實現也更加困難,需要精準的材料設計、製備與調控。

1988年,美國物理學家霍爾丹提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應,但是多年來一直未能找到能實現這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。

2010年,中科院物理所方忠、戴希帶領的團隊與張首晟教授等合作,從理論與材料設計上取得了突破,他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓撲絕緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機制,能形成穩定的鐵磁絕緣體,是實現量子反常霍爾效應的最佳體系[Science,329, 61(2010)]。他們的計算表明,這種磁性拓撲絕緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強度下,即處在“量子反常霍爾效應”態。該理論與材料設計的突破引起了國際上的廣泛興趣,許多世界頂級實驗室都爭相投入到這場競爭中來,沿著這個思路尋找量子反常霍爾效應。

研究過程

自1988年開始,就不斷有理論物理學家提出各種方案,然而在實驗上沒有取得任何進展。2006年, 美國史丹福大學張首晟教授領導的理論組成功地預言了二維拓撲絕緣體中的量子自鏇霍爾效應,並於2008年指出了在磁性摻雜的拓撲絕緣體中實現量子反常霍爾效應的新方向。2010年,我國理論物理學家方忠、戴希等與張首晟教授合作,提出磁性摻雜的三維拓撲絕緣體有可能是實現量子化反常霍爾效應的最佳體系。這個方案引起了國際學術界的廣泛關注。德國、美國、日本等有多個世界一流的研究組沿著這個思路在實驗上尋找量子反常霍爾效應,但一直沒有取得突破。

測量到的霍爾電阻測量到的霍爾電阻

首次觀測

介紹

薛其坤團隊經過近4年的研究,生長測量了1000多個樣品。最終,他們利用分子束外延方法,生長出了高質量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜,並在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應。

意義

中國科學家領銜的團隊首次在實驗上發現量子反常霍爾效應。這一發現或將對信息技術進步產生重大影響。

在美國物理學家霍爾1880年發現反常霍爾效應133年後,終於實現了反常霍爾效應的量子化的觀察,這一發現是相理論計算得到霍爾電導關領域的重大突破,也是世界基礎研究領域的一項重要科學發現。

由於人們有可能利用量子霍爾效應發展新一代低能耗電晶體和電子學器件,這將克服電腦的發熱和能量耗散問題,從而有可能推動信息技術的進步。然而,普通量子霍爾效應的產生需要用到非常強的磁場,因此套用起來將非常昂貴和困難。但量子反常霍爾效應的好處在於不需要任何外加磁場,這項研究成果將推動新一代低能耗電晶體和電子學器件的發展,可能加速推進信息技術革命進程。

美國科學家霍爾分別於1879年和1880年發現霍爾效應和反常霍爾效應。1980年,德國科學家馮·克利青發現整數量子霍爾效應,1982年,美國科學家崔琦和施特默發現分數量子霍爾效應,這兩項成果分別於1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎

突破

由清華大學薛其坤院士領銜,清華大學、中科院物理所和史丹福大學研究人員聯合組成的團隊在量子反常霍爾效應研究中取得重大突破,他們從實驗中首次觀測到量子反常霍爾效應,這是中國科學家從實驗中獨立觀測到的一個重要物理現象,也是物理學領域基礎研究的一項重要科學發現。

國際同行評價

實驗結果公布後,薛其坤曾應邀去日本作學術報告。作為在世界上和中國科學家研究水平最相近的“老對手”,日本科學家給他發來了郵件,稱讚“這是我在過去十年里聽到的最好的學術報告,我們真沒有想到你們最終發現了這一美妙現象”,“這非常非常令人激動”。

另一位美國知名物理學家也向課題組發來郵件,“看到你們的結果,我真感覺有些嫉妒。但回過頭想起來,這個工作巨大的難度也確實讓我們嘆為觀止”。

研究團隊成員研究團隊成員

美國《科學》雜誌的匿名評審則給出了這樣的評價,“這篇文章結束了對量子反常霍爾效應多年的探尋,這是一項里程碑式的工作。我祝賀文章作者們在拓撲絕緣體研究中作出的重大突破。”

諾貝爾物理獎得主、清華大學高等研究院名譽院長楊振寧教授評價其為“諾貝爾獎級的發現”

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