什麼是「量子自旋霍爾效應」?

2021-01-15 核電那些事

著名華人物理學家、史丹福大學教授張首晟去世


"量子自旋霍爾效應"是指找到了電子自轉方向與電流方向之間的規律，利用這個規律可以使電子以新的姿勢非常有序地"舞蹈"，從而使能量耗散很低。

在特定的量子阱中，在無外磁場的條件下（即保持時間反演對稱性的條件下），特定材料製成的絕緣體的表面會產生特殊的邊緣態，使得該絕緣體的邊緣可以導電，並且這種邊緣態電流的方向與電子的自旋方向完全相關，即量子自旋霍爾效應。



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Bi2Se3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Bi2Se3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-xSbx)2Te3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。

"量子自旋霍爾效應"找到了電子自轉方向與電流方向之間的規律。利用這個規律可以使電子以新的姿勢非常有序地"舞蹈"，從而使能量耗散很低。這種新奇的物理現象有可能給未來的信息革命帶來重大影響，電腦甚至量子計算都將隨之發生巨大改變。

張首晟曾表示：

"量子自旋霍爾效應"的理論研究以及產業化開發，對科學界和信息產業界來說，都將是一次大洗牌的機會。這一領域的突破所帶來的歷史機遇，對中國的基礎研究和產業界的自主創新也都是十分難得的。希望國家有計劃地大力投入，做好戰略布局，瞄準這一理論預言展開更廣泛的探索，加快研究步伐，搶佔自主創新制高點。



1980年，德國和英國研究人員發現了量子霍爾效應，這一發現讓人們對製造新型電腦晶片裝置充滿了希望。

但由於這種效應需要滿足強磁場和低溫這兩個條件，類似的裝置仍舊是一個白日夢。然而，物理學家還是相當幸運的，除了帶有電荷外，電子還擁有另一個特性--旋轉。

最近一些年，理論家便預言，擁有正常電子結構的材料可以與電場發生作用並最終出現量子自旋霍爾效應，也就是說，我們可以獲得一種旋轉驅動版且幾乎沒有能量損失的導電性。

值得一提的是，這種材料也無需滿足強磁場和低溫這兩個條件。

量子自旋霍爾態是一種全新的物質狀態。凝聚態理論通常根據對稱性破缺原理來對物質狀態進行分類。

量子自旋霍爾態和量子霍爾態是屬於無自發對稱性破缺的物質狀態，與普通物質狀態大為不同。而量子自旋霍爾態與量子霍爾態的不同之處就在於，它不需要外加磁場，因此還保持了時間反演對稱性。


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資料來源：360百科


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