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    在自然科学基金等持续资助下 我科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应

    日期 2013-04-18   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    第2期
    (总第451期)

      本文提要:在国家自然科学基金等项目大力支持下,清华大学薛其坤教授领衔,清华大学、中科院物理所和斯坦福大学研究人员联合组成的团队在《科学》杂志发表题为“在磁性拓扑绝缘体中量子反常霍尔效应的实验观测”的论文,宣布从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这是凝聚态物理领域基础研究的一项里程碑式的发现,是中国物理学家对世界科学发展作出的一项巨大贡献,有可能推动未来新概念低能耗信息技术的开发。

      130年前,美国物理学家霍尔先后发现了霍尔效应和反常霍尔效应。随着量子概念在固体系统的发展,研究量子化的霍尔效应成为凝聚态物理重要研究方向之一。1980年德国科学家冯•克利青因发现整数量子霍尔效应获得1985年诺贝尔物理奖,1982年美国科学家崔琦和施特默因发现分数量子霍尔效应获得1998年诺贝尔物理奖。物理学家认为与反常霍尔效应相对应,也应该具有量子化的反常霍尔效应,但如何使其现身并在实验上观测到,成为近些年凝聚态物理学家探索的重要难题之一。

      2006年,在拓扑绝缘体这个新领域出现之后,美国斯坦福大学/清华大学张首晟教授领导的理论组成功预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应,并于2008年提出在拓扑绝缘体中引入磁性,以实现量子反常霍尔效应的可能性。2010年,中科院物理研究所方忠、戴希研究员等与张首晟教授合作,通过计算模拟预言Cr或Fe掺杂的Bi2Se3,Bi2Te3和Sb2Te3族三维拓扑绝缘体薄膜可能是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。

      实验的关键是能否制备出相应的样品、如何进行测量。样品必须同时满足三个条件:(1)材料的能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态;(2)材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应;(3)材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献。在实际样品的制备中,即使满足上述任何一个条件,其难度都很大,而要3条同时满足,对实验物理学家来讲是个巨大的挑战。为此,德国、日本、美国和中国的科学家都投入了许多人力、物力进行研究。而由薛其坤院士带领的清华大学物理系王亚愚、陈曦、贾金锋和中科院物理所马旭村、何珂、王立莉、吕力组成的联合实验团队,与方忠、戴希、张首晟等理论物理学家合作,最先获得成功。其成果于北京时间3月15日以“在磁性拓扑绝缘体中量子反常霍尔效应的实验观测”(“Experimental observation of the quantum anomalous Hall effect in a magnetic topological insulator”)为题,在美国《科学》(Science)杂志在线发表。

      自2009年起,由薛其坤院士带领的团队生长和测量了超过1000个样品,克服了重重障碍,一步步实现了对磁性掺杂拓扑绝缘体高质量薄膜的生长、表面电子态的观测、特别是对其电子结构、磁有序态和能带拓扑结构的精密调控。2012年10月,该团队利用分子束外延生长了Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3薄膜,将其制备成输运器件并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。他们发现在一定的外加栅极电压范围内,此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2 ( 25812.8欧姆),从而证实了此前的理论预言。

      此项结果不但是基础凝聚态物理领域的一项重大突破,还有可能推动低能耗信息技术的发展。量子霍尔效应的无能耗电子输运性质可以用来实现低能耗的晶体管和芯片间连线,将会克服电脑的发热和能量耗散问题。然而,由于普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场(通常需要的磁场强度是地磁场的几万甚至几十万倍),因此应用起来非常昂贵和困难。而量子反常霍尔效应的最美妙之处是不需要任何外加磁场就可以实现无能耗电子输运,因此,这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术革命的进程。

      该系列工作得到了国家自然科学基金面上项目、重点项目、重大研究计划、国家杰出青年科学基金、创新研究群体、科研仪器基础研究专款、中日韩A3前瞻计划国际合作研究等项目的长期支持,项目分布在数理科学部、化学科学部、信息科学部、国际合作局等,总经费达6742.5万元;科技部、教育部和中国科学院等也给予了资助。




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