SHMFF用戶揭示基於外爾軌道的三維量子霍爾效應

2020-12-06 中國科學院

　　科學家們對量子霍爾效應的研究一直停留於二維體系，從未涉足三維領域。近日，穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）用戶復旦大學物理系教授修發賢課題組首先在該領域實現突破，在拓撲半金屬砷化鎘納米片中觀測到由外爾軌道形成新型三維量子霍爾效應的直接證據，邁出了從二維到三維的關鍵一步。12月17日，相關研究成果在線發表於《自然》期刊。該工作高磁場實驗部分在中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心穩態強磁場實驗裝置上完成。

　　量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一，迄今為止已有四個諾貝爾獎（1985，1998，2010和2016年）與其直接相關。一百多年來，人們研究量子霍爾效應有一個重要前提是必須基於二維體系。拓撲半金屬具有一個重要特徵——費米弧表面態，常規沒有達到布裡淵區邊界的費米面都是閉合的，而拓撲半金屬的費米弧則是一段非閉合曲線。在磁場下，普通能帶的電子在倒空間會沿著費米面截面的閉合曲線做迴旋運動，而對於費米弧而言，其兩個端點最終連接的是體態的外爾點，因此正常情況下不會形成迴旋軌道。2017年，修發賢課題組利用穩態強磁場實驗裝置在砷化鎘納米片觀測到量子霍爾效應，發表於《自然-通訊》(Nature Communications 8, 1272 (2017))。由於當時研究磁場強度（20T）相對較低，該效應中的三維特性仍缺乏直接的實驗證據。

　　強磁場中心副研究員張警蕾等人，通過不斷改進測試方案，克服了水冷磁體噪聲大、微納器件容易損壞、測試效率低等困難，成功在更強的磁場下實現了對微納器件電輸運性質的高精測量。得益於更高的研究磁場條件，修發賢課題組研究團隊創新性地進一步利用楔形樣品實現可控的厚度變化，這樣外爾軌道在不同厚度區域發生隧穿所需時間不同，導致對應軌道狀態發生變化。通過測量對應的量子霍爾電阻，實驗發現迴旋軌道能量能直接受到樣品厚度的調控，這和常規基於二維表面態的量子霍爾效應完全不同。同時，通過改變磁場方向，發現軌道能量也受到磁場和晶向相對位置的影響，打破了二維體系應該具有的鏡面對稱性。基於這兩個重要證據，實驗成功證明了砷化鎘納米結構中的量子霍爾效應來源於三維的外爾軌道。

　　這種新型外爾軌道量子霍爾效應產生的理論機制是由於兩個表面的迴旋部分符合正常量子霍爾效應所需的二維迴旋，同時垂直方向的隧穿過程是基於外爾半金屬特有的手性朗道能級，可以提供一個無耗散的通道，從而沒有破壞原有的量子化邊界態。另一方面，外爾軌道裡特有的隧穿過程進一步提供了一個通過厚度調控電子態相位和能量的機制，使得這種新型三維量子霍爾效應具有更豐富的研究前景。相關研究成果在線發表於《自然》（Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0798-3）期刊。

　　該工作強磁場中心實驗部分得到中科院合肥大科學中心高端用戶培育基金、中科院青年促進會等的大力支持。

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圖1 基於外爾軌道的三維量子霍爾效應物理機制

 

圖2 Cd3As2強磁場下的量子霍爾效應

　　科學家們對量子霍爾效應的研究一直停留於二維體系，從未涉足三維領域。近日，穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）用戶復旦大學物理系教授修發賢課題組首先在該領域實現突破，在拓撲半金屬砷化鎘納米片中觀測到由外爾軌道形成新型三維量子霍爾效應的直接證據，邁出了從二維到三維的關鍵一步。12月17日，相關研究成果在線發表於《自然》期刊。該工作高磁場實驗部分在中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心穩態強磁場實驗裝置上完成。
　　量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一，迄今為止已有四個諾貝爾獎（1985，1998，2010和2016年）與其直接相關。一百多年來，人們研究量子霍爾效應有一個重要前提是必須基於二維體系。拓撲半金屬具有一個重要特徵——費米弧表面態，常規沒有達到布裡淵區邊界的費米面都是閉合的，而拓撲半金屬的費米弧則是一段非閉合曲線。在磁場下，普通能帶的電子在倒空間會沿著費米面截面的閉合曲線做迴旋運動，而對於費米弧而言，其兩個端點最終連接的是體態的外爾點，因此正常情況下不會形成迴旋軌道。2017年，修發賢課題組利用穩態強磁場實驗裝置在砷化鎘納米片觀測到量子霍爾效應，發表於《自然-通訊》(Nature Communications 8, 1272 (2017))。由於當時研究磁場強度（20T）相對較低，該效應中的三維特性仍缺乏直接的實驗證據。
　　強磁場中心副研究員張警蕾等人，通過不斷改進測試方案，克服了水冷磁體噪聲大、微納器件容易損壞、測試效率低等困難，成功在更強的磁場下實現了對微納器件電輸運性質的高精測量。得益於更高的研究磁場條件，修發賢課題組研究團隊創新性地進一步利用楔形樣品實現可控的厚度變化，這樣外爾軌道在不同厚度區域發生隧穿所需時間不同，導致對應軌道狀態發生變化。通過測量對應的量子霍爾電阻，實驗發現迴旋軌道能量能直接受到樣品厚度的調控，這和常規基於二維表面態的量子霍爾效應完全不同。同時，通過改變磁場方向，發現軌道能量也受到磁場和晶向相對位置的影響，打破了二維體系應該具有的鏡面對稱性。基於這兩個重要證據，實驗成功證明了砷化鎘納米結構中的量子霍爾效應來源於三維的外爾軌道。
　　這種新型外爾軌道量子霍爾效應產生的理論機制是由於兩個表面的迴旋部分符合正常量子霍爾效應所需的二維迴旋，同時垂直方向的隧穿過程是基於外爾半金屬特有的手性朗道能級，可以提供一個無耗散的通道，從而沒有破壞原有的量子化邊界態。另一方面，外爾軌道裡特有的隧穿過程進一步提供了一個通過厚度調控電子態相位和能量的機制，使得這種新型三維量子霍爾效應具有更豐富的研究前景。相關研究成果在線發表於《自然》（Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0798-3）期刊。
　　該工作強磁場中心實驗部分得到中科院合肥大科學中心高端用戶培育基金、中科院青年促進會等的大力支持。
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圖1 基於外爾軌道的三維量子霍爾效應物理機制
 
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    量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一，迄今已有四個諾貝爾獎與其直接相關。但一百多年來，科學家們對量子霍爾效應的研究仍停留於二維體系，從未涉足三維領域。以往的實驗證明，量子霍爾效應只會在二維或者準二維體系中發生。「比如說這間屋子，除了上表面、下表面，中間還存在一個空間。」修發賢用手上下比劃著。
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