量子中心謝心澄教授及合作者在反常量子霍爾效應研究方面取得重要...

2020-11-23 北大新聞網

2019/01/24 信息來源： 量子材料科學中心

最近，北京大學物理學院量子材料科學中心謝心澄教授與中心訪問學者蘇州大學陳垂針教授、北京師範大學劉海文研究員合作，在反常量子霍爾效應的研究方面取得重要進展。他們發現，由於實驗中體系的結構反演對稱性通常是被破壞的，這將導致體系的霍爾電導平臺轉變過程中出現臨界區間。標度分析表明這個相變屬於BKT相變這一新普適類。這一研究成果在線發表於1月15日的《物理學評論快報》【Phys. Rev. Lett.122, 026601(2019)】 。

量子反常霍爾絕緣體是一種新的量子物質態，具有重要的基礎研究和潛在應用價值。量子化霍爾電導平臺轉變作為描述量子霍爾效應的拓撲性質的重要特徵，同時也是一類重要的通過實驗可觀測的量子相變。前人的理論認為，量子反常霍爾效應和傳統量子霍爾效應的量子化霍爾電導平臺的轉變屬於同一普適類。但最近的實驗發現，量子反常霍爾效應的臨界指數以及霍爾電導的溫度依賴關係和量子霍爾效應的電導平臺轉變的普適值以及行為不同。與量子霍爾絕緣體不同的是，量子反常霍爾絕緣體中存在一個具有隨機磁疇的零霍爾電導平臺。因此，研究無序下隨機磁疇對零霍爾電導平臺的影響對量子反常霍爾絕緣體的理解至關重要。





(a)磁性拓撲絕緣體關於無序強度W和磁化強度〈Mz(r)〉/ Ms的相圖。在結構反演對稱性存在或被破壞的情況下，體系的自旋陳絕緣體(Spin CI)、陳絕緣體(CI)和普通絕緣體三個相分別被臨界點（虛線）或臨界區間分隔。(b)霍爾電導σxy及局域化長度Λ與磁化強度的關係


研究團隊利用精確的數值模擬研究了磁性拓撲絕緣體薄膜中磁疇的影響，發現結構反演對稱性決定量子反常霍爾效應的電導平臺轉變行為。當體系存在結構反演對稱性時，體系可分解為兩個子系統，他們分別拓撲等價兩個陳數相反的陳絕緣體。因而，體系表現出傳統量子霍爾效應的單臨界點臨界行為。相反地，在目前實驗中體系的結構反演對稱性通常是被破壞的，這時兩個子系統會相互耦合導致體系出現臨界線(區間)的新臨界行為。標度分析表明，在結構反演對稱性被破壞的情況下體系相變屬於被稱為BKT相變的新的普適類。這些預言可在將來的輸運實驗中被驗證。

這項研究得到國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展規劃(973計劃)、中國科學院大學先導項目基金和香港裘槎基金會等相關項目資助。

編輯：麥洛


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