進展 | 熱霍爾效應中的普適標度律

2020-05-14 中科院物理所

2019年，《自然》雜誌報導在銅氧化物高溫超導母體中也發現了巨大的熱霍爾效應，引起了很多討論。與一般霍爾效應不同，熱霍爾效應測量垂直磁場下縱向熱流導致的橫向溫度梯度。在關聯絕緣體中，熱霍爾效應來自電中性載流子如聲子、磁激子、自旋子等的本徵或誘導的非平庸拓撲性質。在自旋液體材料中，熱霍爾效應在實驗和理論兩個方面都有很多研究。但是現有微觀理論模型都非常複雜，難以和實驗建立起直接聯繫。

為了填補微觀理論模型與實驗間的空隙，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心EX9組的楊義峰研究員與清華大學的張廣銘教授和中國科學院大學卡弗裡理論科學研究所的張富春教授合作，借鑑費米液體理論的唯象思想，提出了分析關聯絕緣體中霍爾熱導率的最小模型，進而預言依賴於電中性費米或玻色載流子的貝裡曲率的能量分布，霍爾熱導率在低溫下會分別呈現飽和、冪數、熱激發等不同行為，但在載流子拓撲半帶寬量級的中間溫區上則會呈現出普適的對溫度的指數依賴關係，不依賴於具體材料細節。這一普適標度律在自旋液體材料RuCl3、量子順電材料SrTiO3和銅氧化物中都得到了實驗數據的支持。

以上普適標度律的發現加深了對熱霍爾效應的物理認識，為理論解釋實驗搭建了唯象的橋梁。文章發表於Phys. Rev. Lett. 124, 186602 (2020)。該工作得到了科技部、基金委、中科院戰略性先導科技專項及青促會的支持。

[1] Yi-feng Yang*, Guang-Ming Zhang*, and Fu-Chun Zhang*, Phys. Rev. Lett. 124， 186602 (2020).https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.186602

進展 | 熱霍爾效應中的普適標度律

圖1：理論預言的霍爾熱導率，呈現兩個實驗相關的溫區，D為半帶寬。

進展 | 熱霍爾效應中的普適標度律

圖2：對RuCl3和SrTiO3實驗數據的擬合，支持理論預言的普適標度律。

編輯：fengyao

1. 2. 3.

4. 老師隔離後用射擊遊戲上網課，真不怕學生看完更想玩遊戲？

5. 被五步蛇咬，走幾步才最安全？

6. 我們從不騙你，除非……你不懂物理

7. 為什麼菜油倒海上能救命？這道題美國學霸國父也不會做

8. 為什麼有 32 個關卡的超級馬裡奧兄弟只要 64KB？

9. 十大物理效應，一次看個夠！

10. 方程 E = mc² 中，m 的能量從何而來？

相關焦點

  • 進展| 熱霍爾效應中的普適標度律
    2019年，《自然》雜誌報導在銅氧化物高溫超導母體中也發現了巨大的熱霍爾效應，引起了很多討論。與一般霍爾效應不同，熱霍爾效應測量垂直磁場下縱向熱流導致的橫向溫度梯度。在關聯絕緣體中，熱霍爾效應來自電中性載流子如聲子、磁激子、自旋子等的本徵或誘導的非平庸拓撲性質。在自旋液體材料中，熱霍爾效應在實驗和理論兩個方面都有很多研究。
  • 進展|熱霍爾效應中的普適標度律
    2019年，《自然》雜誌報導在銅氧化物高溫超導母體中也發現了巨大的熱霍爾效應，引起了很多討論。與一般霍爾效應不同，熱霍爾效應測量垂直磁場下縱向熱流導致的橫向溫度梯度。在關聯絕緣體中，熱霍爾效應來自電中性載流子如聲子、磁激子、自旋子等的本徵或誘導的非平庸拓撲性質。
  • 熱霍爾效應中的普適標度律研究獲進展
    2019年，《自然》雜誌報導在銅氧化物高溫超導母體中也發現了巨大的熱霍爾效應，引起了很多討論。與一般霍爾效應不同，熱霍爾效應測量垂直磁場下縱向熱流導致的橫向溫度梯度。在關聯絕緣體中，熱霍爾效應來自電中性載流子如聲子、磁激子、自旋子等的本徵或誘導的非平庸拓撲性質。在自旋液體材料中，熱霍爾效應在實驗和理論兩個方面都有很多研究。
  • 進展| 複雜環境中擴散的普適標度律
    最簡單的擴散過程，如微粒在液體中的布朗運動，能夠準確地用Stokes-Einstein關係進行定量的預測。然而，在實際情況下，擴散往往發生在具有複雜結構和相互作用的介質中。例如：半導體材料中的摻雜原子的擴散，膠體粒子在高分子聚合物中的運動，以及生物大分子在細胞內的輸運等等。在這些情況下，擴散受到環境動態結構的影響，特別是當擴散粒子和介質的特徵尺寸相近的情況下，連續介質的簡化模型也不再適用了。
  • 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...
    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
  • 自旋霍爾效應研究新進展
    近年來，國際上關於半導體中自旋軌道耦合引致的各種新奇的物理現象進行了研究並取得了許多重要的進展，如本徵自旋Hall效應等。這些研究為在半導體中產生自旋流提供了新的途徑，並為未來的全電操縱的自旋電子學器件提供了物理基礎。但是，這些工作大多分別獨立地研究導帶電子或價帶空穴，相互之間不存在耦合。自旋軌道耦合恰恰是來自這種導帶－價帶的耦合。
  • 物理所預言矽烯中的量子自旋霍爾效應
    最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）姚裕貴研究員以及博士生劉鋮鋮、馮萬祥採用第一性原理，系統地研究了矽烯的晶體結構、穩定性、能帶拓撲和自旋軌道耦合打開的能隙，預言了在矽烯中可以實現量子自旋霍爾效應。　  近幾年來，拓撲絕緣體的研究在世界範圍內飛速發展，並成為凝聚態物理研究中的一個熱點領域。
  • 進展|反常霍爾效應研究取得進展
    反常霍爾效應是最基本的電子輸運性質之一。雖然反常霍爾效應早在1881年就被Edwin Hall發現，但其微觀機制的建立卻經歷了一百餘年的漫長曆程。本世紀初，牛謙等人的理論工作揭示了反常霍爾效應的內稟機制與材料能帶結構的貝裡曲率有關，並得到了廣泛的實驗支持，反常霍爾效應也因此成為當今凝聚態物理研究的一個重要手段。在近年來受到廣泛關注的固態拓撲體系研究中，反常霍爾效應也是被研究的焦點之一。然而，迄今為止所有的實驗結果都基本使用單粒子圖像下的輸運理論進行解釋。
  • 「零漂移」霍爾效應電流傳感器
    這兩種配置均取決於磁場的操縱，特別是利用霍爾效應（因此稱為霍爾效應傳感器）。 開環傳感器通常由置於磁芯間隙中的霍爾傳感器組成。所需的電流會產生一個磁場，該磁場被鐵心集中並由霍爾傳感器測量。這些傳感器非常便宜，但缺乏準確性。開環傳感器不準確的主要原因之一是漂移。漂移可以是熱漂移，也可以是時間漂移。
  • 量子反常霍爾效應
    量子反常霍爾效應不同於量子霍爾效應，它不依賴於強磁場而由材料本身的自發磁化產生。在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。自1988年開始，就不斷有理論物理學家提出各種方案，然而在實驗上沒有取得任何進展。2013年，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研究所組成的實驗團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。
  • 我國科學家首次在實驗中發現量子反常霍爾效應
    在實驗中發現「量子反常霍爾效應」 我國物理學研究取得世界級成果  【新聞直播間】我科學家發現量子反常霍爾效應4月10日，清華大學和中國科學院物理研究所在北京聯合宣布：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研究所聯合組成的實驗團隊最近取得重大科研突破，在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應
  • 科學網—首次實現量子反常霍爾效應
    >最近，由中科院物理所和清華大學等機構的科研人員組成的團隊，首次成功實現「量子反常霍爾效應」。該結果於3月14日在線發表於美國《科學》雜誌。 在凝聚態物理領域，量子霍爾效應研究是一個非常重要的研究方向。發現整數量子霍爾效應與分數量子霍爾效應的科學家分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學獎。 「量子反常霍爾效應不同於量子霍爾效應，它不依賴於強磁場而由材料本身的自發磁化產生。」
  • 進展 | 磁性外爾體系巨反常霍爾效應的內/外稟雙機制設計
    反常霍爾效應是霍爾效應的各種物理版本中基礎而重要的一員，且與溫度梯度驅動的反常能斯特效應在物理根源上有著密切的關係。經過一個多世紀的研究，人們認識到反常霍爾效應的物理機制包括貝利曲率相關的內稟機制和雜質散射相關的外稟機制。作為動量空間中的贗磁場，貝利曲率是布洛赫電子的帶間相互作用。在對稱破缺的拓撲材料中，在自旋軌道耦合作用下，外爾節點及節線環能隙等能帶結構可以產生拓撲增強的貝利曲率。
  • 進展|YFeO/NiO/ YFeO/Pt磁子結中磁子非局域自旋霍爾磁電阻效應
    即一層重金屬中如有電流通過，由於自旋霍爾效應和界面處自旋極化電流與磁子流之間的轉換，可以激發出磁性絕緣體中的磁子流，並在另一側界面經由磁子流與自旋極化電流的逆轉換，變成另一側重金屬中的自旋流，最後通過逆自旋霍爾效應生成相反方向的拖拽電流信號[H. Wu, X.F. Han, et al. PRB 93 (2016) 060403(R)]。
  • 【中國科學報】首次實現量子反常霍爾效應
    最近，由中科院物理所和清華大學等機構的科研人員組成的團隊，首次成功實現「量子反常霍爾效應」。該結果於3月14日在線發表於美國《科學》雜誌。 在凝聚態物理領域，量子霍爾效應研究是一個非常重要的研究方向。發現整數量子霍爾效應與分數量子霍爾效應的科學家分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學獎。
  • 物理所等反常霍爾效應研究取得進展
    反常霍爾效應是最基本的電子輸運性質之一。雖然反常霍爾效應早在1881年就被Edwin Hall發現，但其微觀機制的建立卻經歷了一百餘年的漫長曆程。本世紀初，牛謙等人的理論工作揭示了反常霍爾效應的內稟機制與材料能帶結構的貝裡曲率有關，並得到了廣泛的實驗支持，反常霍爾效應也因此成為當今凝聚態物理研究的一個重要手段。
  • 量子中心林熙課題組與合作者在量子反常霍爾效應體系量子相變與標...
    有限溫度下，量子臨界點附近存在熱漲落與量子漲落的競爭，因而越低的溫度越適合開展量子相變的研究。量子霍爾效應中，從一個量子平臺到另一個量子平臺的相變可以用標度行為描述，目前已有一些理論研究和實驗工作。二維體系除了量子霍爾效應，還有很多其他有趣的量子現象，比如近些年為人熟知的量子反常霍爾效應和新奇的軸子絕緣體態。
  • 量子反常霍爾效應的實驗發現丨物理所入選「率先行動」第一階段成果進展
    近日，在系統梳理「率先行動」計劃第一階段眾多科技成果基礎上，中科院按照「三個面向」凝練歸納出59項重大科技成果及標誌性進展，由中科院物理所主要完成的三項成果同時入選。今天為大家介紹面向世界科技前沿的「量子反常霍爾效應的實驗發現」成果進展。
  • 進展|磁性半金屬EuB6和量子反常霍爾效應研究進展
    根據能帶交叉點的簡併度和形狀，拓撲半金屬材料可以進一步細分為：四度簡併點的狄拉克半金屬，二度簡併點的外爾半金屬和nodal-line半金屬等。近年來，研究人員已經在非磁性材料中發現了大量的拓撲半金屬材料，例如狄拉克半金屬Na3Bi和Cd3As2, 外爾半金屬TaAs, 和nodal-line半金屬Cu3PdN。
  • 霍爾效應
    霍爾效應儘管麥克斯韋方程組正確描述了電場和磁場的關係，但當時對「磁體與電流之間如何相互作用」仍不清楚。