《科學》發文評述量子反常霍爾效應實驗發現

2020-11-23 清華大學新聞網

《科學》發文評述量子反常霍爾效應實驗發現　　

　　清華新聞網4月14日電 4月12日出版的《科學》（Science）雜誌在「展望」（Perspectives）欄目刊登美國新澤西州立大學物理與天文系教授Seongshik Oh撰寫的題為「完整的量子霍爾家族三重奏」（The Complete Quantum Hall Trio）文章，對由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學物理系和中科院物理所聯合組成的實驗團隊，在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，從實驗上首次觀測到的量子反常霍爾效應，以及此前發現的量子霍爾效應、量子自旋霍爾效應進行了評述。

　　完整的量子霍爾家族三重奏

　　Seongshik Oh

　　不需要外磁場的量子霍爾態的實驗觀測，使人們終於能夠完整地演奏量子霍爾效應的三重奏了。

　　當電流在一個導體薄板中流動時，如果施加一個垂直於薄板平面和電流方向的外加磁場，電荷會在導體薄板內垂直於電流方向的邊緣積累，產生一個橫向電壓VT。這個效應由Edwin Hall（埃德溫·霍爾）在1879年發現，稱為霍爾效應。由於橫向電阻，又稱霍爾電阻，定義為VT/I，正比於H/n（H是外加磁場的強度，這裡n是樣品中的載流子面密度），霍爾效應被廣泛用來測量導電材料中的載流子類型（電子型或是空穴型）、濃度和遷移率。然而，上個世紀八十年代人們發現，當載流子被限制在一個二維平面內運動時，在一定的外加磁場下，霍爾電阻變成了精準的常數h/(ve2)，這裡h是普朗克常數，e是電子電荷，v是正整數。這個現象被稱為量子霍爾效應，它的實現必須有外加磁場的存在。在本期的167頁，常翠祖（註：常翠祖為清華大學物理系博士生）等人的文章報導了在磁性拓撲絕緣體薄膜中，橫向電阻的精準量子化甚至能夠發生在沒有外加磁場的情況。這個結果證實了期待已久的量子反常霍爾效應的存在，這是量子霍爾家族的最後一位成員（如圖所示）。

　　量子霍爾家族（括號中的數字表示對應的效應發現的年代）。H表示外加磁場強度，M表示自發磁化強度。這三種量子霍爾效應中，電子都是沿著無耗散的邊緣運動，材料內部是絕緣的。霍爾測量是測量一個方向的「淨」電荷，對於量子霍爾效應（左側）來說，邊緣的不同自旋方向的電子都是朝著一個方向運動；對於量子自旋霍爾效應（中間）來說，不同自旋方向的電子的運動方向不同；在量子反常霍爾效應（右側）中，沿邊緣運動的只有自旋向下的電子。自旋和電荷運動方向的「鎖定」機制和邊緣通道的數量取決於材料本身，這裡只說明了最簡單的情況。

　　在量子霍爾效應發現不久，人們意識到這種量子化是由於在外磁場下導體內部變得完全絕緣，只有其邊緣存在無耗散的一維導電通道的情況下造成的，一維無耗散通道的數量就是整數值v。這種情況下，電子只能夠沿著一邊向一個方向運動而無法被散射到由絕緣體態隔開的導體的另一邊，因為只有另一邊才有反方向的運動。當橫向電阻量子化時，縱向（電荷流動方向）的電阻會完全變為零。

　　當人們對量子霍爾效應的理解逐漸成熟後，問題自然出現了：這種無耗散的邊緣態是否能夠在沒有外加磁場的情況下存在？1988年，一個理論學家預言了這種邊緣態能夠在二維晶格中存在。經歷了近20年的探索，這種能夠在無外加磁場情況下存在的無耗散邊緣態首先在HgTe/CdTe量子阱材料中被發現。然而，由於缺乏外加磁場迫使電流沿單一方向流動，這種材料中同時存在順時針和逆時針兩個方向的邊緣態。由於重元素中很強的自旋軌道耦合相互作用，電流方向由電子的自旋方向（自旋向上或是自旋向下）決定。這個現象是量子自旋霍爾效應，也就是自旋霍爾效應的量子化。

　　如果量子自旋霍爾系統中一個方向的自旋通道能夠被抑制，比如，通過鐵磁性，這自然的會導致量子反常霍爾效應。鐵磁導體中的霍爾電阻由正比於磁場的正常霍爾效應部分和正比於材料磁化帶來的反常霍爾效應部分組成。量子反常霍爾效應指的是反常霍爾效應部分的量子化。量子自旋霍爾效應的發現極大地促進了量子反常霍爾效應的研究進程。前期的理論預言指出，量子反常霍爾效應能夠通過抑制HgTe系統中的一條自旋通道來實現。遺憾的是，目前還沒有能夠在這個材料系統實現鐵磁性，即而無法實現量子化反常霍爾效應。後來又有理論預言指出，將Bi2 Se3這種拓撲絕緣體材料做薄並且進行磁性摻雜，就有可能能夠實現量子霍爾電阻為h/(ve2)的量子反常霍爾效應。這個理論預言被常翠祖等人通過實驗證實。

　　（要在實驗上實現量子反常霍爾效應，）常翠祖等人需要戰勝一系列非常困難的材料問題。量子反常霍爾效應要求材料的體導電和表面導電通道完全被抑制掉。上面理論預言的Bi2 Se3體系，由於存在不可避免的Se空位缺陷導致的高濃度的電子型摻雜，不能滿足實現量子反常霍爾效應的要求。為了避免這個問題，他們選擇了（Bi1-x Sbx)2 Te3體系。這個體系中，可以通過改變Sb的組分x，他們能夠將費米能級調到鐵磁性導致的能隙內的電荷中性點上。通過對材料各種參數進一步的不斷優化，他們最終實現了無外加磁場情況下量子化的霍爾電阻。

　　他們觀察到的量子反常霍爾效應的性質是非常穩定的。首先，為了避免自旋翻轉散射的影響，觀測量子自旋霍爾效應需要微小尺寸的樣品，而量子反常霍爾效應能夠在幾百微米量級的宏觀尺度下實現。其次，讓人稱奇的是，這種嚴格的量子化能夠在具有相當低的遷移率和非零體導電通道的材料中實現。這些都說明量子反常霍爾效應比量子自旋霍爾效應要穩定得多，可以媲美甚至比量子霍爾效應有更強的適應能力。

　　觀測到的量子反常霍爾效應的嚴格量子化和無耗散通道的存在可能能夠用於很多應用中。比如，這種邊緣態可以用來作為自旋電子器件所需的的無耗散自旋過濾通道。不需要外加磁場的精準的霍爾電阻可以方便地用來做電阻標準。但是目前談這些應用還為時過早。這是因為：現有材料體系的鐵磁性居裡溫度還很低，加上材料在其它方面的不盡人意，量子反常霍爾效應只有在極低的溫度下才能觀察到。然而，通過在材料上的突破，也許在未來的某天你會發現，量子反常霍爾效應會廣泛地應用在我們每天使用的移動電子器件上。

　　（參考文獻略）

 

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