薛其坤等《科學》發文 首次在實驗上發現量子反常霍爾效應

薛其坤等《科學》發文 首次在實驗上發現量子反常霍爾效應

或將推動信息技術進步

　　清華新聞網3月15日電 （記者 顧淑霞 通訊員王亞愚） 由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學、中科院物理所和史丹福大學的研究人員聯合組成的團隊在量子反常霍爾效應研究中取得重大突破，從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應，在美國物理學家霍爾於1880年發現反常霍爾效應133年後終於實現了反常霍爾效應的量子化。這是我國科學家從實驗上獨立觀測到的一個重要物理現象，也是世界基礎研究領域的一項重要科學發現。該成果於北京時間3月15日凌晨（美國東部時間3月14日下午）在《科學》雜誌在線發表。《科學》雜誌的三位匿名審稿人對該項成果都給予了高度評價。文章的共同第一作者為清華大學物理系的博士生常翠祖、張金松、馮硝同學和中科院物理所的博士生沈潔同學。該工作是由清華大學物理系薛其坤、王亞愚、陳曦、賈金鋒，中科院物理所何珂、馬旭村、王立莉、呂力、方忠、戴希等一起共同攻關完成的。

 Chemical potential

量子反常霍爾效應的原理示意圖：當化學勢（chemical potential）位於鐵磁拓撲絕緣體的狄拉克點處打開的能隙內時，其零磁場的反常霍爾電導sxy(0) 達到量子電導e²/h的數值並形成平臺，而其縱向電導sxx(0)變為0。

       由於人們有可能利用量子霍爾效應發展新一代的低能耗電晶體和電子學器件，這將會克服電腦的發熱和能量耗散問題，從而有可能推動信息技術的進步。然而，由於普通量子霍爾效應的產生需要用到非常強的磁場（通常需要的磁場強度是地磁場的幾萬甚至幾十萬倍），因此應用起來非常昂貴和困難。而量子反常霍爾效應的最美妙之處是不需要任何外加磁場，因此，這項研究成果將會推動新一代的低能耗電晶體和電子學器件的發展，可能加速推進信息技術革命的進程。

 量子反常霍爾效應的測量器件示意圖：將分子束外延生長的鐵磁拓撲絕緣體薄膜製備成場效應電晶體的結構，並對其霍爾電阻ryx 和縱向電阻rxx進行精密測量。

    美國科學家霍爾分別於1879年和1880年發現霍爾效應和反常霍爾效應。1980年德國科學家馮·克利青發現整數量子霍爾效應，1982年美國科學家崔琦和施特默發現分數量子霍爾效應，這兩項成果分別於1985年和1998年獲得諾貝爾物理獎。2006年，張首晟教授領導的理論組成功地預言了二維拓撲絕緣體中的量子自旋霍爾效應，於2007年被實驗證實。量子反常霍爾效應是又一個全新的量子效應，被認為有可能是量子霍爾效應家族的最後一個重要成員；加之其在應用方面的重要性，因此，從理論研究和實驗上實現量子反常霍爾效應，成為凝聚態物理學家追求的目標。自1988年開始就不斷有理論物理學家提出各種方案，這包括2008年張首晟等和2010年方忠和戴希等提出的磁性摻雜拓撲絕緣體方案。然而反常霍爾效應的量子化需要材料的性質同時滿足三項非常苛刻的條件，這就如同要求一個人同時具有短跑運動員的速度、籃球運動員的高度和體操運動員的靈巧：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；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反常霍爾效應；材料的體內必須為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。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，美國、德國、日本等科學家由於無法在材料中同時滿足這三點而未取得最後的成功。

    量子反常霍爾效應的實驗數據圖：不同的曲線顯示在不同柵極電壓下材料霍爾電阻ryx  隨磁場的變化。在一定的柵極電壓範圍內，零磁場的反常霍爾電阻數值達到量子電阻的數值h/e²。

       自2009年起，在清華大學薛其坤院士的帶領下，中國科學院物理研究所的馬旭村、何珂和王立莉、清華大學物理系王亞愚、陳曦和賈金鋒以及中科院物理所的呂力等四個研究組組成的實驗攻關團隊，與中科院物理所方忠、戴希等組成的理論團隊，開始向量子反常霍爾效應的實驗實現發起衝擊。在過去近四年的時間裡，團隊生長和測量了超過1000個樣品，一步步克服了重重障礙。團隊利用分子束外延的方法生長了高質量的磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜，將其製備成輸運器件並在極低溫環境下對其磁電阻和反常霍爾效應進行了精密測量。他們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徵值h/e²~ 25800歐姆。他們將研究成果投到美國《科學》（Science）雜誌，很快被接受。

　　「這是我們團隊精誠合作，聯合攻關的共同成果，是中國科學家的集體榮譽」。薛其坤院士強調說。

　　在研究過程中，該團隊取得了系列研究成果，拓撲絕緣體研究成果曾入選2010年中國科學十大進展和中國高校十大科技進展，團隊成員還獲得了2011年「求是傑出科學家獎」、「求是傑出科學成就集體獎」和「中國科學院傑出科技成就獎」以及2012年「陳嘉庚科學獎」和「全球華人物理學會亞洲成就獎」等榮譽。

　　該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部、清華大學和中國科學院等的基金資助。

    　背景連結一：量子霍爾效應的研究成果

        在凝聚態物理的研究中，量子霍爾效應佔據著極其重要的地位，此前在這方面的重要工作包括：

        整數量子霍爾效應（1980年發現，1985年諾貝爾物理獎）；

       分數量子霍爾效應（1982年發現，1998年諾貝爾物理獎）；

        量子化自旋霍爾效應（2007年發現，2010年歐洲物理獎，2012年美國物理學會巴克利獎）。

        量子反常霍爾效應是在此領域的又一個重大進展，有可能是量子霍爾效應家族的最後一個重要成員。

　　背景連結二：霍爾效應、量子霍爾效應與量子反常霍爾效應

　　霍爾效應是美國物理學家霍爾(Edwin Hall)於1879年發現的一個物理效應。在一個通有電流的導體中，如果施加一個垂直於電流方向的磁場，由於洛倫茲力的作用，電子的運動軌跡將產生偏轉，從而在垂直於電流和磁場方向的導體兩端產生電壓，這個電磁輸運現象就是著名的霍爾效應。產生的橫向電壓被稱為霍爾電壓，霍爾電壓與施加的電流之比則被稱為霍爾電阻。由於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係。

　　1980年左右，德國科學家馮·克利青(Klaus von Klitzing)發現了整數量子霍爾效應，獲得1985年諾貝爾物理獎。1982年，美籍華人物理學家崔琦(Daniel Chee Tsui)和施特默(Horst L. Stormer) 等發現了分數量子霍爾效應，這個效應不久由另一位美國物理學家勞弗林(Robert B. Laughlin)給出理論解釋，他們三人榮獲1998年諾貝爾物理獎。

　　量子霍爾效應之所以如此重要，一方面是由於它們體現了二維電子系統在低溫強磁場的極端條件下的奇妙量子行為，另一方面這些效應可能在未來電子器件中發揮特殊的作用，可以用於製備低能耗的高速電子器件。例如，如果把量子霍爾效應引入計算機晶片，將會克服電腦的發熱和能量耗散問題。然而由於量子霍爾效應的產生需要用到非常強的磁場，因此至今為止它還沒有特別大的實用價值－－要產生所需的磁場不但價格昂貴，而且其體積龐大（衣櫃大小）也不適合於個人電腦和可攜式計算機。

　　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，因為這裡不存在外磁場對電子的洛倫茲力而產生的運動軌道偏轉。反常霍爾電導是由於材料本身的自發磁化而產生的，因此是一類新的重要物理效應。聯想到上面介紹的量子化的霍爾效應，人們自然就會問，能不能實現不需要外加磁場的量子化的反常霍爾效應呢？這首先將是又一個全新的量子效應，有可能是量子霍爾效應家族的最後一個重要成員。此外，如果能在實驗上實現零磁場中的量子霍爾效應，我們就有可能利用其無耗散的邊緣態發展新一代的低能耗電晶體和電子學器件，從而解決電腦發熱問題和摩爾定律的瓶頸問題，有可能推動信息技術的進步。該團隊的研究使這一期待變成現實。

　　北京時間2013年3月15日，《科學》（Science）雜誌在線發文，宣布薛其坤院士領銜的團隊在實驗上首次發現量子反常霍爾效應。

編輯：範 麗