量子反常霍爾效應
2013-10-17
文章來源: 《科技日报》(2013-04-11 五版)

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  ▲量子反常霍爾效應的示意图,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爾效應
  理論計算得到的磁性拓撲絕緣體多層膜的能帶結構和相應的霍爾電導

  “这个研究成果是从中国实验室里,第一次发表出来了诺贝尔物理奖级别的論文,这不仅是清华大学、中科院的喜事,也是整个国家发展中喜事。”4月10日,诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授高度评价了我国科学家的重大发现——量子反常霍爾效應。
  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研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍爾效應。美国《科学》杂志于3月14日在线发表这一研究成果。由于此前和量子霍尔效应有关的科研成果已经3获诺贝尔奖,学术界很多人士对这项“可能是量子霍尔效应家族最后一个重要成员”的研究给予了极高的关注和期望。那么什么是量子反常霍爾效應?对它的研究为什么引起世界各国科学家的兴趣?它的发现有什么重大意义?
  重要性
  突破摩尔定律瓶颈 加速推动信息技术革命进程
  在认识量子反常霍爾效應之前,让我们先来了解一下量子霍尔效应。量子霍尔效应,于1980年被德国科学家发现,是整个凝聚态物理领域中重要、最基本的量子效应之一。它的应用前景非常广泛。
  薛其坤院士舉了個簡單的例子:我們使用計算機的時候,會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因爲常態下芯片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發生能量損耗。而量子霍爾效應則可以對電子的運動制定一個規則,讓它們在各自的跑道上“一往無前”地前進。“這就好比一輛高級跑車,常態下是在擁擠的農貿市場上前進,而在量子霍爾效應下,則可以在‘各行其道、互不幹擾’的高速路上前進。”薛其坤打了個形象的比喻。
  然而,量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场,“相当于外加10个计算机大的磁铁,这不但体积庞大,而且价格昂贵,不适合个人电脑和便携式计算机。”薛其坤说,而量子反常霍爾效應的美妙之处是不需要任何外加磁场,在零磁场中就可以实现量子霍尔态,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。
  自1988年开始,就不断有理论物理学家提出各种方案,然而在实验上没有取得任何进展。2006年, 美国斯坦福大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应,并于2008年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍爾效應的新方向。2010年,我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作,提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等有多个世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍爾效應,但一直没有取得突破。
  薛其坤团队经过近4年的研究,生长测量了1000多个样品。最终,他们利用分子束外延方法,生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍爾效應。
  “量子反常霍爾效應可在未来解决摩尔定律瓶颈问题,它发现或将带来下一次信息技术革命,我国科学家为国家争夺了这场信息革命中的战略制高点。”拓扑绝缘体领域的开创者之一、清华大学特聘专家张首晟教授说。
創新性
  讓實驗材料同時具備“速度、高度和靈巧度”
  从美国物理学家霍尔丹于1988年提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应,到我国科学家为这一预言画上完美句号,中间经过了20多年。课题组成员、中科院物理所副研究員何珂告诉记者:“量子反常霍爾效應实现非常困难,需要精准的材料设计、制备与调控。尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径,但所需的材料和结构非常难以制备,因此在实验上进展缓慢。”
  “這就如同要求一個運動員同時具有劉翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的靈巧度。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。”課題組成員、清華大學王亞愚教授這樣描述實驗對材料要求的苛刻程度。
  實驗中,材料必須具有鐵磁性從而存在反常霍爾效應;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,即一維導電通道;材料的體內必須爲絕緣態從而對導電沒有任何貢獻,只有一維邊緣態參與導電。
  2010年,課題組完成了對1納米到6納米(頭發絲粗細的萬分之一)厚度薄膜的生長和輸運測量,得到了系統的結果,從而使得准二維超薄膜的生長測量成爲可能。
  2011年,課題組實現了對拓撲絕緣體能帶結構的精密調控,使得其體材料成爲真正的絕緣體,去除了其對輸運性質的影響。
  2012年初,課題組在准二維、體絕緣的拓撲絕緣體中實現了自發長程鐵磁性,並利用外加柵極電壓對其電子結構進行原位精密調控。
  2012年10月,課題組終于發現在一定的外加柵極電壓範圍內,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——世界難題得以攻克。
  課題組克服薄膜生長、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,最終爲這一物理現象的實現畫上了完美的句號。
  “下一步我們主要的努力方向是全面測量材料在極低溫下的電子結構和輸運性質,尋找更好的材料體系,在更高的溫度下實現這一效應。那時,也許我們能對其應用前景作更好的判斷。”王亞愚告訴記者。
  外界評說
  這是凝聚態物理界一項裏程碑式的工作
  “实验成果出来以后,量子霍尔效应的发现者给我发了一封邮件。他写道:我深信拓扑绝缘体和量子反常霍爾效應是科学王冠上的明星。”张首晟向记者展示了这封邮件。
  《科學》雜志的一位審稿人說:“這項工作毫無疑問地證實了與普通量子霍爾效應不同來源的單通道邊緣態的存在。我認爲這是凝聚態物理學一項非常重要的成就。”另一位審稿人說:“這篇文章結束了多年來對無朗道能級的量子霍爾效應的探尋。這是一篇裏程碑式的文章。”
  延伸閱讀
  霍爾效應與反常霍爾效應
  霍爾效應是美國物理學家霍爾于1879年發現的一個物理效應。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,由于洛倫茲力的作用,電子的運動軌迹將産生偏轉,從而在垂直于電流和磁場方向的導體兩端産生電壓,這個電磁輸運現象就是著名的霍爾效應。産生的橫向電壓被稱爲霍爾電壓,霍爾電壓與施加的電流之比則被稱爲霍爾電阻。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。
  1880年,霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應時發現,即使不加外磁場也可以觀測到霍爾效應,這種零磁場中的霍爾效應就是反常霍爾效應。反常霍爾效應與普通的霍爾效應在本質上完全不同,因爲這裏不存在外磁場對電子的洛倫茲力而産生的運動軌道偏轉。反常霍爾電導是由于材料本身的自發磁化而産生的,因此是一類新的重要物理效應。
  量子霍爾效應的相關研究已3次獲得諾貝爾獎
  量子霍爾效應在凝聚態物理的研究中占據著極其重要的地位。它就像一個富礦,一代又一代科學家爲之著迷和獻身,他們的成就也多次獲得諾貝爾物理獎。
  1985年,諾貝爾物理獎頒給了德國科學家馮?克利青,他于1980年發現了整數量子霍爾效應。
  1998年,諾貝爾物理獎頒給了美國科學家:美籍華人物理學家崔琦以及施特默、勞弗林。前兩人于1982年發現了分數量子霍爾效應,而後者則對這一效應進一步給出了理論解釋。
  2010年,諾貝爾物理獎頒給了英國科學家安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫。他們倆在2005年發現了石墨烯中的半整數量子霍爾效應。
  此外,量子化自旋霍爾效應于2007年被發現,2010年獲得歐洲物理獎,2012年獲得美國物理學會巴克利獎。