我國科學家首次在實驗中發現量子反常霍爾效應

我國科學家首次在實驗中發現量子反常霍爾效應

由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學、中科院物理所和斯坦福大學的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，他們從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。

130年多前，美國物理學家霍爾先后發現了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，這兩項成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理獎。由此，物理學家認為量子霍爾效應家族中也應該存在量子反常霍爾效應。但如何使其現身，并在實驗上觀測到成為近些年凝聚態物理學家探索的重要難題之一。拓撲絕緣體這個新領域出現之后，2006年, 美國斯坦福大學/清華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旋霍爾效應，并于2008年指出了在磁性摻雜的拓撲絕緣體中可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Cr或Fe摻雜的Bi2Se3,Bi2Te3和Sb2Te3族三維拓撲絕緣體薄膜可能是實現拓撲絕緣體的最佳體系。但是, 要在實驗上實現反常霍爾效應的量子化需要拓撲絕緣體材料同時滿足三項非常苛刻的條件：材料的能帶結構必須具有拓撲特性從而具有導電的一維邊緣態；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反常霍爾效應；材料的體內必須為絕緣態從而對導電沒有任何貢獻。在實際的材料中實現以上任何一點都具有相當大的難度，而要同時滿足這三點對實驗物理學家來講是一個巨大的挑戰，德國、日本、美國的科學家由于無法在材料中同時滿足這三點而未取得最后的成功。

自2009年起，在薛其坤院士的帶領下，清華大學物理系王亞愚、陳曦和賈金鋒與中科院物理所馬旭村、何珂、王立莉和呂力組成的實驗團隊，與張首晟、方忠和戴希等理論物理學家合作，開始向量子反常霍爾效應的實驗實現發起沖擊。

在過去近四年的時間里，團隊生長和測量了超過1000個樣品，克服了重重障礙，一步步實現了對磁性摻雜拓撲絕緣體高質量薄膜的生長、表面電子態的觀測、特別是對其電子結構、磁有序態和能帶拓撲結構的精密調控。

2012年10月，該團隊利用分子束外延生長了Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3薄膜，將其制備成輸運器件并在極低溫環境下對其磁電阻和反常霍爾效應進行了精密測量。他們發現在一定的外加柵極電壓范圍內，此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應的特征值h/e2 ～25800歐姆。該成果投到美國《科學》（Science）雜志，很快被接受，并于北京時間3月15日以"Experimental observation of the quantum anomalous Hall effect in a magnetic topological insulator"為題在線發表。