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

2020-09-17 中科院物理所

自2014年「率先行動」計劃實施以來，物理所以深化科技體制改革為動力，堅持以「三個面向」、基本實現「四個率先」為目標，系統謀劃和推進研究所的「一三五」規劃。超導、拓撲、納米、表面、極端條件等多個學科走在了世界科技最前沿，磁學、光學、先進材料、清潔能源等諸多領域為國民經濟發展提供了有力的支撐。除了聚焦基礎前沿問題，紮根中關村外，物理所還積極參與北京科創中心懷柔科學城、粵港澳大灣區科創中心松山湖材料實驗室以及長三角研究中心建設，為科技強國建設做出了重要的貢獻。

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。

量子霍爾效應是整個凝聚態物理領域最重要、最基本的量子效應之一。它是一種典型的宏觀量子效應，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個完美體現。1980年，德國科學家馮•克利青（Klaus von Klitzing）發現了「整數量子霍爾效應」，於1985年獲得諾貝爾物理學獎。1982年，美籍華裔物理學家崔琦（Daniel CheeTsui）、美國物理學家施特默（Horst L. Stormer）等發現「分數量子霍爾效應」，不久由美國物理學家勞弗林（Robert B. Laughlin）給出理論解釋，三人共同獲得1998年諾貝爾物理學獎。在量子霍爾效應家族裡，至此仍未被發現的效應是「量子反常霍爾效應」——不需要外加磁場的量子霍爾效應。

圖一 量子反常霍爾效應的示意圖，拓撲非平庸的能帶結構產生具有手徵性的邊緣態，從而導致量子反常霍爾效應

「量子反常霍爾效應」是多年來該領域的一個非常困難的重大挑戰，它與已知的量子霍爾效應具有非常不同的物理本質，是一種全新的量子效應；同時它的實現也更加困難，需要精準的材料設計、製備與調控。1988年，美國物理學家霍爾丹（F. Duncan M. Haldane）提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，但是多年來一直未能找到能實現這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領的團隊與張首晟教授等合作，從理論與材料設計上取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓撲絕緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機制，能形成穩定的鐵磁絕緣體，是實現量子反常霍爾效應的最佳體系［Science,329,61(2010)］。他們的計算表明，這種磁性拓撲絕緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強度下，即處在「量子反常霍爾效應」態。該理論與材料設計的突破引起了國際上的廣泛興趣，許多世界頂級實驗室都爭相投入到這場競爭中來，沿著這個思路尋找量子反常霍爾效應。

圖二 理論計算得到的磁性拓撲絕緣體多層膜的能帶結構和相應的霍爾電導

在磁性摻雜的拓撲絕緣體材料中實現「量子反常霍爾效應」，對材料生長和輸運測量都提出了極高的要求：材料必須具有鐵磁長程有序；鐵磁交換作用必須足夠強以引起能帶反轉，從而導致拓撲非平庸的帶結構；同時體內的載流子濃度必須儘可能地低。2013年，中科院物理所何珂、馬旭村、王立莉、呂力、方忠、戴希等組成的團隊和清華大學物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團隊合作攻關，在這場國際競爭中顯示了雄厚的實力。他們克服了薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關，一步一步實現了對拓撲絕緣體的電子結構、長程鐵磁序以及能帶拓撲結構的精密調控，利用分子束外延方法生長出了高質量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，並在極低溫輸運測量裝置上成功地觀測到了「量子反常霍爾效應」。該結果於2013年3月14日在Science上在線發表，清華大學和中科院物理所為共同第一作者單位。

圖三，在Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜中測量到的霍爾電阻

該成果的獲得是我國科學家長期積累、協同創新、集體攻關的一個成功典範。前期，團隊成員已在拓撲絕緣體研究中取得過一系列的進展，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」、「求是傑出科技成就集體獎」和「中國科學院傑出科技成就獎」，以及2012年「全球華人物理學會亞洲成就獎」、「陳嘉庚科學獎」等榮譽。該成果也榮獲2018年度國家自然科學獎一等獎。

編輯：米老貓

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