“量子反常霍爾效應”研究取得重大突破

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由中國科學院物理研究所和清華大學物理系的科研人員組成的聯合攻關團隊，經過數年不懈探索和艱苦攻關，最近成功實現了“量子反常霍爾效應”.這是國際上該領域的一項重要科學突破.

1 霍爾效應

1879年 美國物理學家霍爾(A.H.Hall，1855～1938)在研究金屬的導電機制時發現,在一個通有電流的導體中，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體兩端將產生電壓，這個現象稱為霍爾效應.霍爾效應是由于磁場的洛倫茲力作用使電子的運動產生偏轉，在導體兩端分別聚集了正、負電荷而形成.霍爾效應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系.利用霍爾效應制成的元件稱為霍爾元件，其在工程技術中有廣泛的應用.

圖1 霍爾效應的原理

2 量子霍爾效應

在霍爾效應發現約100年后，德國物理學家克利青(Klaus von Klitzing, 1943～ )等在研究極低溫度和強磁場中的半導體時發現了量子霍爾效應，克利青為此獲得了1985年的諾貝爾物理學獎. 之后，美籍華裔物理學家崔琦(1939～ )和美國物理學家勞克林(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時發現了分數量子霍爾效應，這個發現使人們對量子現象的認識更進一步，他們為此獲得了1998年的諾貝爾物理學獎.

量子霍爾效應與普通霍爾效應的主要區別在于，普通霍爾效應中，電子運動是雜亂無章的、無序的，不斷發生碰撞而發熱；量子霍爾效應中電子運動則是有序的，也就是說，量子霍爾效應能解決電子碰撞發熱的問題，據此設計新一代大規模集成電路和元器件，將會具有極低的能耗.

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

3 量子反常霍爾效應

1988年，美國物理學家霍爾丹(F. Duncan M. Haldane)曾提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應.不需要外加磁場的量子霍爾效應稱為量子反常霍爾效應，它與普通的霍爾效應有本質上的不同，因為這里不存在外磁場對電子的洛倫茲力而產生的運動軌道偏轉.反常霍爾電導是由于材料本身的自發磁化而產生的，因此是一類新的重要物理效應.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、戴希帶領的團隊與復旦校友、美國斯坦福大學教授張首晟教授等合作，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.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，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.但一直沒有取得突破.

圖2 量子反常霍爾效應的示意圖，拓撲非平庸的能帶結構產生具有手征性的邊緣態，從而導致量子反常霍爾效應

在磁性摻雜的拓撲絕緣體材料中實現“量子反常霍爾效應”，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，從而導致拓撲非平庸的能帶結構；同時，體內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、戴希等組成的團隊和清華大學物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團隊合作攻關，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，一步一步實現了對拓撲絕緣體的電子結構、長程鐵磁序以及能帶拓撲結構的精密調控，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，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”.該結果于2013年3月14日在Science上在線發表，清華大學和中科院物理所為共同第一作者單位.

4 量子反常霍爾效應發現的意義

量子反常霍爾效應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，因而，量子反常霍爾效應的發現將極大加深與拓展人類對微觀世界特征的認識.量子反常霍爾效應的發現，使人類有可能發展新一代的小型、低耗、高速電子器件，從而解決電腦發熱和摩爾定律的瓶頸問題.因此，量子反常霍爾效應的應用，可能把信息技術發展推向一個新的階段.不過，量子反常霍爾效應目前是在極低溫度(30 mK)下實現的，因此，量子反常霍爾效應的真正應用，可能還有很長的科學路程.