「量子反常霍爾效應」研究取得重大突破

2020-11-23 OFweek

　　由中國科學院物理研究所和清華大學物理系的科研人員組成的聯合攻關團隊，經過數年不懈探索和艱苦攻關，最近成功實現了「量子反常霍爾效應」。這是國際上該領域的一項重要科學突破，該物理效應從理論研究到實驗觀測的全過程，都是由我國科學家獨立完成。

　　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（Rober 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完全不同的物理本質，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

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  • 量子反常霍爾效應
    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。研究過程自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。
  • 量子反常霍爾效應 它的發現有什麼重大意義?
    ▲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　　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4月10日，諾貝爾物理獎得主、清華大學高等研究院名譽院長楊振寧教授高度評價了我國科學家的重大發現——量子反常霍爾效應。　　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。美國《科學》雜誌於3月14日在線發表這一研究成果。
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    近日，我國在量子科學研究中取得重大突破，在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，首次觀測到量子反常霍爾效應。該成果被視為世界基礎研究領域的一項重要科學發現。    作為微觀電子量子行為的宏觀體現，量子霍爾效應一直在凝聚態物理研究中佔據極其重要的地位，並可能在未來用於製備低能耗的高速電子器件。然而，量子霍爾效應的產生需要施加強磁場，因此，造價昂貴、體積龐大等因素限制了其走向實際應用。
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    1月8日，由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學、中國科學院物理所聯合組成的實驗團隊完成的「量子反常霍爾效應的實驗發現」項目獲2018年度國家自然科學獎一等獎。薛其坤教授領銜的科研團隊在世界上首次在實驗上觀測到量子反常霍爾效應，實現了這一基礎科學領域的重大突破。薛其坤教授表示，材料生長動力學奠定了他們的研究基礎。本期特邀薛其坤院士介紹量子反常霍爾效應發現實驗的過程以及背後的材料物理學研究。
  • 薛其坤:量子反常霍爾效應與材料物理學
    編者按國家自然科學獎一等獎是我國自然科學領域的最高獎項，主要獎勵在基礎研究和應用基礎研究領域獲得重大突破的科學家。由於該獎項評選嚴格，在歷史上曾多年空缺。1月8日，由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學、中國科學院物理所聯合組成的實驗團隊完成的「量子反常霍爾效應的實驗發現」項目獲2018年度國家自然科學獎一等獎。薛其坤教授領銜的科研團隊在世界上首次在實驗上觀測到量子反常霍爾效應，實現了這一基礎科學領域的重大突破。薛其坤教授表示，材料生長動力學奠定了他們的研究基礎。本期特邀薛其坤院士介紹量子反常霍爾效應發現實驗的過程以及背後的材料物理學研究。
  • 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...
    、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。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。
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    清華大學和中國科學院物理研究所4月10日在北京聯合宣布，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。這一實驗發現也證實了此前中科院物理研究所與史丹福大學理論團隊的預言。
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    新京報訊 中國科學家首次在實驗中發現量子反常霍爾效應。著名物理學家、諾貝爾獎得主楊振寧昨日稱讚這項科研成果是「諾貝爾獎級」的成績。　　昨天，清華大學和中國科學院物理研究所在北京聯合宣布：由清華大學教授、中國科學院院士薛其坤領銜，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，「反常霍爾效應」被認為可能是量子霍爾效應家族最後一個有待實驗發現的成員。
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    本報訊（見習記者孫愛民 記者丁佳）
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  • 量子反常霍爾效應:中國做出來的「諾獎級成果」
    1月8日，由清華大學教授、中國科學院院士薛其坤領銜的清華大學和中科院物理所實驗團隊在量子反常霍爾效應取得的突破性成果，獲得2018年度國家自然科學獎一等獎。　　全球首次發現：中國實驗室裡產生的世界級基礎研究原創成果　　「量子反常霍爾效應」——當第一次聽說這個名字，許多人都會一頭霧水。
  • 美專家稱讚量子反常霍爾效應為諾獎級成果
    美專家稱讚量子反常霍爾效應為諾獎級成果來源：新華網 2013-04-14 林小春 任海軍        中國清華大學和中科院物理所的聯合研究團隊日前從實驗中首次觀測到量子反常霍爾效應。他表示，目前的主要限制在於量子反常霍爾效應只有在超低溫條件下（絕對零度即零下273攝氏度以下）才能觀察到，「如果將來能在室溫環境（20攝氏度）下做到這一點，那麼製造出iPad平板電腦大小的超級計算機並非不可能，但還需要在材料方面有重大突破」。
  • 中科院、清華大學聯合發現「量子反常霍爾效應」 可衝擊諾貝爾獎
    由中國科學院物理研究所和清華大學物理系的科研人員組成的聯合攻關團隊，經過數年不懈探索和艱苦攻關，最近成功實現了「量子反常霍爾效應」。這是國際上該領域的一項重要科學突破，該物理效應從理論研究到實驗觀測的全過程，都是由我國科學家獨立完成。
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  • 【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。
  • 薛其坤等《科學》發文 首次在實驗上發現量子反常霍爾效應
    清華大學、中科院物理所和史丹福大學的研究人員聯合組成的團隊在量子反常霍爾效應研究中取得重大突破，從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應，在美國物理學家霍爾於1880年發現反常霍爾效應133年後終於實現了反常霍爾效應的量子化。