薛其坤院士綜述文章:量子反常霍爾效應

2020-11-23 科學網

    實驗觀測到的量子反常霍爾效應：霍爾電阻隨磁場的變化[左圖]；零磁場下霍爾電阻（藍）和縱向電阻（紅）隨柵極電壓的變化[右圖]

早在1879年發現的霍爾效應是自然界最基本的電磁現象之一。一百多年來，物理學家在不同的材料中陸續發現了多種不同的霍爾效應：如普通導體中的正常霍爾效應，磁性材料中出現的反常霍爾效應，半導體材料中的自旋霍爾效應。這些發現不但大大豐富了霍爾效應的內涵，而且加深了人們對固體電子性質的理解。20世紀80年代整數和分數量子霍爾效應的發現使人們開始利用數學中拓撲的概念用來理解物質形態，為凝聚態物理帶來了巨大的概念突破，因此分別於1985年和1998年獲得諾貝爾物理獎，並發展成為凝聚態物理中的一個重要研究方向。

 

量子反常霍爾效應是磁性材料中反常霍爾效應的量子化版本，是一種不需要外磁場就可以實現的量子霍爾效應。這種量子效應不但是很多新奇拓撲量子現象實現的基礎，也是量子霍爾效應能夠走向應用的關鍵。從理論研究和實驗上實現量子反常霍爾效應，是多年來凝聚態物理學家追求的目標。

 

量子反常霍爾效應的實現為量子效應的實際應用開闢了一條道路。絕大部分量子效應只有在在微觀尺度才能出現，因此其奇特的性質很難在實際器件中得以應用。量子霍爾效應利用電子結構的拓撲性質使其邊緣態電子可以在宏觀尺度保持其量子力學特徵，尤其是無能耗的性質，這為量子器件的實現帶來了希望。然而由於傳統量子霍爾效應需要強磁場、極低溫、高載流子遷移率樣品才能出現，因此很難真正得到應用。量子反常霍爾效應是一種不需要強磁場、高遷移率樣品，甚至原則上不需要低溫就可以出現的量子霍爾效應，因此它有希望成為第一種在日常環境下（無磁場、大尺度、室溫）可以應用的量子效應。

 

由清華大學物理系薛其坤教授擔任通訊作者的綜述文章「

量子反常霍爾效應

」已在National Science Review（NSR）2014年3月份的創刊號上發表。在此篇綜述中，薛其坤院士及其合作者從最基本的霍爾效應開始，逐步介紹了各種霍爾效應及其對應的量子化效應的實驗現象和物理內涵，尤其著重闡釋了電子能帶結構的拓撲性質對幾種霍爾效應中所起的關鍵作用。在此基礎上他們介紹了量子反常霍爾效應的概念的提出歷史和理論發展。拓撲絕緣體是最終量子反常霍爾效應最終得以實驗實現的基礎材料。這篇文章詳細介紹了拓撲絕緣體的概念和其在真實材料中的實現，以及在拓撲絕緣體薄膜中實現量子反常霍爾效應的條件。文章還詳細介紹了薛其坤院士所帶領的研究團隊如何結合分子束外延、掃描隧道顯微鏡、角分辨光電子能譜和輸運測量等多種研究手段的結合製備出高質量的拓撲絕緣體薄膜，並通過能帶工程、化學勢調控、磁性摻雜等方式調控其電子能帶結構、磁性和輸運性質，最終實現量子反常霍爾效應。文章最後還對量子反常霍爾效應的重要科學意義和應用前景進行了闡述。（來源：科學網）

 

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    薛其坤院士介紹捐贈的科學儀器　潘旭臨　攝中新網北京12月23日電 (記者 應妮)清華大學物理系量子反常霍爾效應研究相關科學儀器實物入藏儀式23日在中國國家博物館舉行。清華大學量子反常霍爾效應研究團隊將自主研發的分子束外延蒸發源爐、樣品臺、掃描隧道顯微鏡用杜瓦等8件研究中所使用關鍵性科學儀器實物捐贈給國家博物館。霍爾效應是一種常見的電磁現象，廣泛應用於磁傳感器和半導體工業。1980年德國科學家馮？克利青發現的整數量子霍爾效應以及1982年美國科學家崔琦和施特默發現的分數量子霍爾效應向人們揭示出一種新的物質態：拓撲量子物態。
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