《科学》发文评述量子失常霍尔效应试验发现
来源:怎么打网 发表于2019-07-20 09:38:50 编辑:赵文卓
摘要: 《科学》发文评述量子失常霍尔效应试验发现 4月14日电 4月12日出书的《科学》(Science)杂志在 展望 (Perspectives)栏目刊登美国新泽西州立大学物理与地

《科学》发文评述量子失常霍尔效应试验发现

4月14日电 4月12日出书的《科学》(Science)杂志在 展望 (Perspectives)栏目刊登美国新泽西州立大学物理与地理系教授Seongshik Oh编撰的题为 完好的量子霍尔宗族三重奏 (The Complete Quantum Hall Trio)文章,对由清华大学薛其坤院士领衔,清华大学物理系和中科院物理所联合组成的试验团队,在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中,从试验上初次观测到的量子失常霍尔效应,以及此前发现的量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应进行了评述。

完好的量子霍尔宗族三重奏

Seongshik Oh

不需求外磁场的量子霍尔态的试验观测,使人们总算能够完好地演奏量子霍尔效应的三重奏了。

当电流在一个导体薄板中活动时,假如施加一个垂直于薄板平面和电流方向的外加磁场,电荷会在导体薄板内垂直于电流方向的边际堆集,发生一个横向电压VT。这个效应由Edwin Hall(埃德温 霍尔)在1879年发现,称为霍尔效应。由于横向电阻,又称霍尔电阻,界说为VT/I,正比于H/n(H是外加磁场的强度,这儿n是样品中的载流子面密度),霍尔效应被广泛用来丈量导电材猜中的载流子类型(电子型或是空穴型)、浓度和迁移率。可是,上个世纪八十时代人们发现,当载流子被约束在一个二维平面内运动时,在必定的外加磁场下,霍尔电阻变成了精准的常数h/(ve2),这儿h是普朗克常数,e是电子电荷,v是正整数。这个现象被称为量子霍尔效应,它的完成必须有外加磁场的存在。在本期的167页,常翠祖(注:常翠祖为清华大学物理系博士生)等人的文章报导了在磁性拓扑绝缘体薄膜中,横向电阻的精准量子化乃至能够发生在没有外加磁场的状况。这个成果证明晰期待已久的量子失常霍尔效应的存在,这是量子霍尔宗族的终究一位成员(如图所示)。

量子霍尔宗族(括号中的数字表明对应的效应发现的时代)。H表明外加磁场强度,M表明自发磁化强度。这三种量子霍尔效应中,电子都是沿着无耗散的边际运动,资料内部是绝缘的。霍尔丈量是丈量一个方向的 净 电荷,关于量子霍尔效应(左边)来说,边际的不同自旋方向的电子都是朝着一个方向运动;关于量子自旋霍尔效应(中心)来说,不同自旋方向的电子的运动方向不同;在量子失常霍尔效应(右侧)中,沿边际运动的只要自旋向下的电子。自旋和电荷运动方向的 确定 机制和边际通道的数量取决于资料自身,这儿只阐明晰最简略的状况。

 

《科学》发文评述量子失常霍尔效应试验发现

在量子霍尔效应发现不久,人们意识到这种量子化是由于在外磁场下导体内部变得彻底绝缘,只要其边际存在无耗散的一维导电通道的状况下形成的,一维无耗散通道的数量便是整数值v。这种状况下,电子只能够沿着一边向一个方向运动而无法被散射到由绝缘身形离隔的导体的另一边,由于只要另一边才有反方向的运动。当横向电阻量子化时,纵向(电荷活动方向)的电阻会彻底变为零。

当人们对量子霍尔效应的了解逐步成熟后,问题天然呈现了:这种无耗散的边际态是否能够在没有外加磁场的状况下存在?1988年,一个理论学家预言了这种边际态能够在二维晶格中存在。阅历了近20年的探究,这种能够在无外加磁场状况下存在的无耗散边际态首要在HgTe/CdTe量子阱材猜中被发现。可是,由于缺少外加磁场迫使电流沿单一方向活动,这种材猜中一起存在顺时针和逆时针两个方向的边际态。由于重元素中很强的自旋轨道耦合相互作用,电流方向由电子的自旋方向(自旋向上或是自旋向下)决议。这个现象是量子自旋霍尔效应,也便是自旋霍尔效应的量子化。

假如量子自旋霍尔系统中一个方向的自旋通道能够被按捺,比方,经过铁磁性,这天然的会导致量子失常霍尔效应。铁磁导体中的霍尔电阻由正比于磁场的正常霍尔效应部分和正比于资料磁化带来的失常霍尔效应部分组成。量子失常霍尔效应指的是失常霍尔效应部分的量子化。量子自旋霍尔效应的发现极大地促进了量子失常霍尔效应的研讨进程。前期的理论预言指出,量子失常霍尔效应能够经过按捺HgTe系统中的一条自旋通道来完成。惋惜的是,现在还没有能够在这个资料系统完成铁磁性,即而无法完成量子化失常霍尔效应。后来又有理论预言指出,将Bi2 Se3这种拓扑绝缘体资料做薄而且进行磁性掺杂,就有或许能够完成量子霍尔电阻为h/(ve2)的量子失常霍尔效应。这个理论预言被常翠祖等人经过试验证明。

(要在试验上完成量子失常霍尔效应,)常翠祖等人需求打败一系列十分困难的资料问题。量子失常霍尔效应要求资料的体导电和外表导电通道彻底被按捺掉。上面理论预言的Bi2 Se3系统,由于存在不可防止的Se空位缺点导致的高浓度的电子型掺杂,不能满意完成量子失常霍尔效应的要求。为了防止这个问题,他们挑选了(Bi1-x Sbx)2 Te3系统。这个系统中,能够经过改动Sb的组分x,他们能够将费米能级调到铁磁性导致的能隙内的电荷中性点上。经过对资料各种参数进一步的不断优化,他们终究完成了无外加磁场状况下量子化的霍尔电阻。

他们观察到的量子失常霍尔效应的性质是十分安稳的。首要,为了防止自旋翻转散射的影响,观丈量子自旋霍尔效应需求细小规范的样品,而量子失常霍尔效应能够在几百微米量级的微观规范下完成。其次,让人称奇的是,这种严厉的量子化能够在具有适当低的迁移率和非零体导电通道的材猜中完成。这些都阐明量子失常霍尔效应比量子自旋霍尔效应要安稳得多,能够比美乃至比量子霍尔效应有更强的适应能力。

观测到的量子失常霍尔效应的严厉量子化和无耗散通道的存在或许能够用于许多运用中。比方,这种边际态能够用来作为自旋电子器件所需的的无耗散自旋过滤通道。不需求外加磁场的精准的霍尔电阻能够方便地用来做电阻规范。可是现在谈这些运用还为时过早。这是由于:现有资料系统的铁磁性居里温度还很低,加上资料在其它方面的不尽人意,量子失常霍尔效应只要在极低的温度下才干观察到。可是,经过在资料上的打破,或许在未来的某天你会发现,量子失常霍尔效应会广泛地运用在咱们每天运用的移动电子器件上。

(参考文献略)

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2019年04月14日 12:30:05

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