“量子反常霍爾效應(yīng)”研究取得重大突破

本刊資料室

由中國科學(xué)院物理研究所和清華大學(xué)物理系的科研人員組成的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊，經(jīng)過數(shù)年不懈探索和艱苦攻關(guān)，最近成功實現(xiàn)了“量子反常霍爾效應(yīng)”.這是國際上該領(lǐng)域的一項重要科學(xué)突破.

1 霍爾效應(yīng)

1879年 美國物理學(xué)家霍爾(A.H.Hall，1855～1938)在研究金屬的導(dǎo)電機制時發(fā)現(xiàn),在一個通有電流的導(dǎo)體中，如果施加一個垂直于電流方向的磁場，在垂直于電流和磁場方向的導(dǎo)體兩端將產(chǎn)生電壓，這個現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng).霍爾效應(yīng)是由于磁場的洛倫茲力作用使電子的運動產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)體兩端分別聚集了正、負(fù)電荷而形成.霍爾效應(yīng)的電壓被稱為霍爾電壓，霍爾電壓與施加的電流之比則被稱為霍爾電阻.由于洛倫茲力的大小與磁場成正比，所以,霍爾電阻也與磁場成線性變化關(guān)系.利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件，其在工程技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用.

圖1 霍爾效應(yīng)的原理

2 量子霍爾效應(yīng)

在霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)約100年后，德國物理學(xué)家克利青(Klaus von Klitzing, 1943～ )等在研究極低溫度和強磁場中的半導(dǎo)體時發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)，克利青為此獲得了1985年的諾貝爾物理學(xué)獎. 之后，美籍華裔物理學(xué)家崔琦(1939～ )和美國物理學(xué)家勞克林(R.B.Laughlin，1950～ )、施特默(H.L. Strmer，1949～ )在更強磁場下研究量子霍爾效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，這個發(fā)現(xiàn)使人們對量子現(xiàn)象的認(rèn)識更進(jìn)一步，他們?yōu)榇双@得了1998年的諾貝爾物理學(xué)獎.

量子霍爾效應(yīng)與普通霍爾效應(yīng)的主要區(qū)別在于，普通霍爾效應(yīng)中，電子運動是雜亂無章的、無序的，不斷發(fā)生碰撞而發(fā)熱；量子霍爾效應(yīng)中電子運動則是有序的，也就是說，量子霍爾效應(yīng)能解決電子碰撞發(fā)熱的問題，據(jù)此設(shè)計新一代大規(guī)模集成電路和元器件，將會具有極低的能耗.

盡管前景誘人，但量子霍爾效應(yīng)的實現(xiàn)需要一個非常強的外加磁場，這就極大地限制了它的應(yīng)用可能性.因此，找到一種不需要外加磁場的量子霍爾效應(yīng)就成為現(xiàn)代物理學(xué)研究的下一個目標(biāo).

3 量子反常霍爾效應(yīng)

1988年，美國物理學(xué)家霍爾丹(F. Duncan M. Haldane)曾提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng).不需要外加磁場的量子霍爾效應(yīng)稱為量子反常霍爾效應(yīng)，它與普通的霍爾效應(yīng)有本質(zhì)上的不同，因為這里不存在外磁場對電子的洛倫茲力而產(chǎn)生的運動軌道偏轉(zhuǎn).反常霍爾電導(dǎo)是由于材料本身的自發(fā)磁化而產(chǎn)生的，因此是一類新的重要物理效應(yīng).但是多年來一直未能找到能實現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)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(lǐng)的團(tuán)隊與復(fù)旦校友、美國斯坦福大學(xué)教授張首晟教授等合作，從理論與材料設(shè)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?fù)浣^緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機制，能形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體，是實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的最佳體系.他們的計算表明，這種磁性拓?fù)浣^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(yīng)”態(tài).該理論與材料設(shè)計的突破引起了國際上的廣泛興趣，世界許多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(yīng).但一直沒有取得突破.

圖2 量子反常霍爾效應(yīng)的示意圖，拓?fù)浞瞧接沟哪軒ЫY(jié)構(gòu)產(chǎn)生具有手征性的邊緣態(tài)，從而導(dǎo)致量子反常霍爾效應(yīng)

在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體材料中實現(xiàn)“量子反常霍爾效應(yīng)”，對材料生長和輸運測量都提出了極高的要求，即材料必須具有鐵磁長程有序；鐵磁交換作用必須足夠強以引起能帶反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致拓?fù)浞瞧接沟哪軒ЫY(jié)構(gòu)；同時，體內(nèi)的載流子濃度必須盡可能地低.中科院物理所何珂、呂力、馬旭村、王立莉、方忠、戴希等組成的團(tuán)隊和清華大學(xué)物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團(tuán)隊合作攻關(guān)，用了4年多時間，克服了薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關(guān)，一步一步實現(xiàn)了對拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu)、長程鐵磁序以及能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，利用分子束外延方法生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，并在極低溫(30 mK)輸運測量裝置上成功地觀測到了“量子反常霍爾效應(yīng)”.該結(jié)果于2013年3月14日在Science上在線發(fā)表，清華大學(xué)和中科院物理所為共同第一作者單位.

4 量子反常霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的意義

量子反常霍爾效應(yīng)與已知的量子霍爾效應(yīng)具有完全不同的物理本質(zhì)，是一種全新的量子效應(yīng)，因而，量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)將極大加深與拓展人類對微觀世界特征的認(rèn)識.量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使人類有可能發(fā)展新一代的小型、低耗、高速電子器件，從而解決電腦發(fā)熱和摩爾定律的瓶頸問題.因此，量子反常霍爾效應(yīng)的應(yīng)用，可能把信息技術(shù)發(fā)展推向一個新的階段.不過，量子反常霍爾效應(yīng)目前是在極低溫度(30 mK)下實現(xiàn)的，因此，量子反常霍爾效應(yīng)的真正應(yīng)用，可能還有很長的科學(xué)路程.