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我国科学家首次发现“量子反常霍尔效应”
中国科学院老科协工程力学分会小田摘编
2013-05-20
Other Abstract      由薛其坤院士领衔,清华大学、中科院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队,历时4年完成的研究报告(第一作者常翠祖,为清华大学物理系博士生)在《科学》杂志在线发表。这项被3名匿名评审人给予高度评价的成果,是在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后,首次实现的反常霍尔效应的量子化,也因此被视作“世界基础研究领域的一项重要科学发现”。
      作为微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的完美体现,量子霍尔效应一直在凝聚态物理研究中占据着极其重要的地位。自美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应之后,不少科学家凭借在此领域的重要发现斩获大奖。1980年,德国科学家冯•克利青发现整数量子霍尔效应,于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年,美籍华裔物理学家崔琦、美国物理学家施特默等发现了分数量子霍尔效应,这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出理论解释,三人共同分享了1998年诺贝尔物理奖。
      而此次中国科学家发现的量子反常霍尔效应因为不需要外加磁场,成为多年来该领域一个非常困难的重大挑战。首先,它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质,是一种全新的量子效应;其次,它的实现也更加困难,需要精准的材料设计、制备与调控。因此,这项全新突破也被视作“有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员”。
      据介绍,量子霍尔效应的重要性在于它可能在未来电子器件中发挥特殊的作用,用于制备低能耗的高速电子器件,从而推动信息技术的进步。然而,由于普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场(通常需要的磁场强度是地磁场的几万倍甚至几十万倍),应用起来十分昂贵和困难;而且其体积庞大(衣柜大小)也不适合于个人电脑和便携式计算机。
      而量子反常霍尔效应的最美妙之处就在于不需要任何外加磁场,人类有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件,从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题,因此,这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术革命的进程。
      但反常霍尔效应的量子化对材料性质的要求非常苛刻,如同要求一个人同时具有短跑运动员速度、篮球运动员高度和体操运动员灵巧:材料能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态;材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应;材料体内必须为绝缘态从而只有一维边缘态参与导电。在实际材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度,而要同时满足这三点对实验物理学家来讲更是巨大挑战,正因为此,美国、德国、日本等科学家未取得最后成功。


    图1 量子反常霍尔效应实验团队的85后青年男女们
    (上排自左至右依次是庞远、常翠祖、张金松,下排自左至右依次是沈洁、郭明华、冯硝)

    图2 量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应和反常量子霍尔效应示意图

     当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差,这一现象就是霍尔效应。这个电势差也被称为霍尔电势差VT,而VT/I(I是电流强度)称为霍尔电阻,它正比于H/n (H是外加磁场的强度,这里n是样品中的载流子面密度)。
      当载流子被限制在一个二维平面内运动时,在一定的外加磁场下,霍尔电阻变成了精准的常数h/(ve2),这里h是普朗克常数,e是电子电荷,v是正整数(也就是量子化的)。这个现象被称为量子霍尔效应,它的实现必须有外加磁场的存在。
      量子霍尔效应的重要性在于它可能在未来电子器件中发挥特殊的作用,用于制备低能耗的高速电子器件,从而推动信息技术的进步。然而,由于普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场(通常需要的磁场强度是地磁场的几万倍甚至几十万倍),应用起来十分昂贵和困难;而且其体积庞大(衣柜大小)也不适合于个人电脑和便携式计算机。
      但磁场并不是霍尔效应的必要条件。在发现霍尔效应以后人们发现了电流和磁矩之间的自旋轨道耦合相互作用也可以导致的霍尔效应。只要破坏时间反演对称性,这种霍尔效应就可以存在,称为反常霍尔效应。
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Language中文
Document Type科普文章
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/47249
Collection力学园地
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GB/T 7714
中国科学院老科协工程力学分会小田摘编. 我国科学家首次发现“量子反常霍尔效应”. 2013.
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