中国科学家首次发现量子反常霍尔效应影响重大 - 科学网—博客.PDF

中国科学家首次发现量子反常霍尔效应 2013年03月15日 15:00 来源：中国新闻网 图一，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 中新社北京 3 月15 日电 (记者 马海燕)北京时间3 月15 日凌晨，《科学》杂志在线发文， 宣布中国科学家领衔的团队首次在实验上发现量子反常霍尔效应。这一发现或将对信息技术 进步产生重大影响。 这一发现由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学、中国科学院物理所和 斯坦福大学的研究人员联合组成的团队历时 4年完成。在美国物理学家霍尔 1880年发现反 常霍尔效应 133 年后，终于实现了反常霍尔效应的量子化，这一发现是相关领域的重大突破， 也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。 由于人们有可能利用量子霍尔效应发展新一代低能耗晶体管和电子学器件，这将克服电脑 的发热和能量耗散问题，从而有可能推动信息技术的进步。然而，普通量子霍尔效应的产生 需要用到非常强的磁场，因此应用起来将非常昂贵和困难。但量子反常霍尔效应的好处在于 不需要任何外加磁场，这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能 加速推进信息技术革命进程。 美国科学家霍尔分别于 1879 年和1880 年发现霍尔效应和反常霍尔效应。1980 年，德国 科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应，1982 年，美国科学家崔琦和施特默发现分数量 子霍尔效应，这两项成果分别于 1985 年和1998年获得诺贝尔物理学奖。 相关链接 “量子反常霍尔效应”研究获突破 中国科学网 由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队，经过数年不 懈探索和艰苦攻关，最近成功实现了“量子反常霍尔效应”。这是国际上该领域的一项重要 科学突破，该物理效应从理论研究到实验观测的全过程，都是由我国科学家独立完成。 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。1980 年，德国科 学家冯·克利青（Klaus von Klitzing）发现了“整数量子霍尔效应”，于 1985 年获得诺 贝尔物理学奖。1982 年，美籍华裔物理学家崔琦（Daniel CheeTsui）、美国物理学家施特 默（Horst L. Stormer）等发现“分数量子霍尔效应”，不久由美国物理学家劳弗林（Rober B. Laughlin）给出理论解释，三人共同获得 1998 年诺贝尔物理学奖。在量子霍尔效应家族 里，至此仍未被发现的效应是“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应。 图二，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 “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。 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