您的位置:www.85058.com > 产品评测 > 量子霍尔反常效应:5年探索,中国科学家献给世

量子霍尔反常效应:5年探索,中国科学家献给世

发布时间:2019-12-13 06:52编辑:产品评测浏览(62)

    石墨烯、拓扑绝缘体等近来热点凝聚态体系的核心物理在于狄拉克电子,鉴定狄拉克电子的关键指征之一是半整数序列的量子霍尔效应。然而,由于固体对称性要求非简并的狄拉克锥总是成对出现,狄拉克电子量子霍尔效应实验中都只能看到整数平台。单个狄拉克通道的1/2量子霍尔效应来源于宇称反常,其观测十分困难。拓扑绝缘体的两个狄拉克锥分布在器件的上下两个表面,这给表面独立调控实现单狄拉克通道量子霍尔效应并观测宇称反常带来了希望。

    这几年,中国科学家其实也做出了许多惊艳全世界的成就,比如今年才 23 岁的曹原发现了当两层石墨烯以一个“魔角”扭曲在一起时,就能在零电阻下导电,开创了物理学一个全新的研究领域,有望最终实现能源利用率与能源运输效率的提高。他的两篇研究论文直接在一天之内以连刊的方式登上了《自然》杂志,当然最重要的是两篇论文的第一作者都是他自己,那个时候他才年仅22岁。还有王贻芳领导的团队发现了中微子的第三种震荡模式,发现前两种震荡模式的科学家都获得了诺贝尔奖。还有潘建伟的多光子纠缠及干涉度量。就是根据量子物理原理提供的一种全新方式对信息进行编码、存储、传输和逻辑操作,并对光子、原子等微观粒子进行精确操纵,以确保通信安全和提升计算速度等方面可以突破经典信息技术的瓶颈,这项技术目前仅中国掌握。

    南京大学物理学院、电子学院、中国科学院强磁场科学中心、中国科学技术大学和中科院物理所合作的课题组利用团簇调控拓扑绝缘体获得单狄拉克通道量子霍尔效应。相关研究成果以“Anomalous quantization trajectory and parity anomaly in Co cluster decorated BiSbTeSe2nanodevices”为题,发表在在Nature Communications (Nat. Commun. 8, 77 上。南京大学物理学院张帅、王锐两位同学和中科大的皮雳教授为论文的共同第一作者,宋凤麒教授、王伯根教授、张裕恒教授为论文共同通讯作者,中科院强磁场科学中心和中科院物理所李永庆组提供了关键的支持。

    图片 1

    图片 2

    而今天我们想要讲的,是清华大学薛其坤,用 5 年时间不懈探索发现的量子反常霍尔效应,这是他献给世界的诺奖级礼物。

    图12K和27.4T下的5个量子霍尔平台;7.2T下的3/2量子霍尔平台;钴团簇修饰后的重整化群流分析;钴团簇修饰后的反常量子化轨迹与铜团簇修饰后的轨迹。

    1879 年,美国物理学家霍尔在研究金属的导电机制时发现,带电粒子在磁场中运动时会受到洛伦兹力的作用发生偏转,那么在磁场中的电流也有可能发生偏转。当电流垂直于外磁场通过半导体时,载流子发生偏转,在导体两端堆积电荷从而在导体内部产生电场,其方向垂直于电流和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力相平衡时,载流子不再偏转。而此时半导体的两端会形成电势差。

    在该工作中,研究团队试图用磁性团簇沉积的方式来调控拓扑绝缘体表面的两个狄拉克通道。他们发现未修饰的拓扑器件在3特斯拉就开始出现量子霍尔效应。此外,即使在单个表面沉积大量磁性团簇拓扑从而彻底破坏时间反演,也并不能抑制拓扑表面态的量子霍尔效应。施加一个27.4特斯拉的强磁场,扫描栅压仍然可以获得5个整数霍尔平台。这揭示了表面态拓扑保护的强健性。尽管拓扑表面的量子霍尔特性无法彻底抑制,但是有可能会由于磁性团簇而发生滞后效应。在这一思想指导下,课题组在一个中等场附近仔细调控最终获得了3/2的量子霍尔平台。经过重整化群流图分析,这一3/2平台是下表面单个狄拉克通道量子化的结果。

    图片 3

    课题组进一步提出了朗道能级杂化的“滞后模型”来理解实验结果。钴团簇通过与上表面的反铁磁交换,会给表面态打开一个能隙。在磁场下,理论发现交换场能隙使得最低的朗道能级从原来的狄拉克点处移动到这个能隙的顶端。因此当磁场从高场下降时,磁性修饰后的朗道能级杂化过程将被推迟,从而就形成了上表面反常的量子化轨迹。同时下表面仍然显现正常量子化特征,这最终导致了上、下表面的量子化过程发生分离,从而实现了半整数的量子霍尔平台。

    其中运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力,即磁场对运动电荷的作用力。我们在中学都学习过左手定则的方法,将左手掌摊平,让磁感线穿过手掌心,四指表示正电荷运动方向,则和四指垂直的大拇指所指方向即为洛伦兹力的方向。但须注意,运动电荷是正的,大拇指的指向即为洛伦兹力的方向。反之,如果运动电荷是负的,仍用四指表示电荷运动方向,那么大拇指的指向的反方向为洛伦兹力方向。

    这一实现有两个重要的前提。一是经过多年努力,课题组获得了体相绝缘的拓扑绝缘体单晶样品。该工作中绝缘体块材的电阻率已经达到10Ωcm以上的数量级,而且不同厚度的器件表现出接近量级的面电导,这证实拓扑表面态已经主导了样品的输运。通过进一步的样品优化,课题组近来已经实现千分之一的霍尔平台精确度。二是原子团簇修饰的独特性。理论模型指出磁性颗粒修饰打开的能隙起到了拖延上表面量子化的作用,通过计算分析,这个能隙大小至少为4.8meV。

    图片 4

    该工作得到人工微结构科学与技术协同创新中心和固体微结构物理国家重点实验室的支持,国家重点研发计划、国家自然科学基金以及江苏省自然科学基金等项目的资助。

    而载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒,如电子和离子。霍尔的发现后来被称为“霍尔效应”,这个电势差也被称为霍尔电势差。

    (物理学院 科学技术处)

    简单来说,霍尔效应它定义了磁场和感应电压之间的关系。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,磁场会对导体中的电子产生一个横向的作用力,从而在导体的两端产生电压差

    虽然这个效应多年前就已经被人们知道并理解,但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用,直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同,霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器,广泛应用于电力系统中。

    图片 5

    霍尔效应示意图,作者Peo

    人们按照霍尔效应开发的各种霍尔元件被广泛应用于精密测磁、自动化控制、通信、计算机、航空航天等工业部门和国防领域。

    按经典霍尔效应理论,霍尔电阻RH (RH=U/I=K. B/d= B/nqd) 应随B连续变化并随着n 的增大而减小,但是到了 1980 年,著名物理学家冯·克里津从金属-氧化物-半导体场效应晶体管发现了一种新的量子霍尔效应。他在硅MOSFET管上加两个电极,再把这个硅MOSFET管放到强磁场和极低温下,发现霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现了一系列平台,与这些平台相应的霍尔电阻Rh=h/,其中n是正整数1,2,3……。也就是说,这些平台是精确给定的,是不以材料、器件尺寸的变化而转移的。它们只是由基本物理常数h和e来确定。

    图片 6

    这被称为整数量子霍尔效应,后来科学家还发现了分数量子霍尔效应。

    当时,物理学者认为除了夸克一类的粒子之外,宇宙中的基本粒子所带的电荷皆为一个电子所带的电荷-e(e=1.6×10-19库伦)的整数倍。而夸克依其类别可带有±1e/3或±2e/3电荷。夸克在一般状况下,只能存在于原子核中,它们不像电子可以自由流动。所以物理学者并不期待在普通凝体系统中,可以看到如夸克般带有分数电子电荷的粒子或激发态。

    图片 7

    但是在1982年,华人科学家崔琦和史特莫在二维电子系统中现了分数化的霍尔电阻平台。一开始是发现了⅓和⅔两个平台。之后他们制造出了更纯的样品, 更低的温度, 更强的磁场. 85mK 和 280kG, 这是人类第一次在实验室中实现如此低的温度和如此强的磁场(地磁场是 mG 的量级). 这样的实验技术令人叹为观止,他们也因此观察到了更加丰富的结构: 他们也因此观察到了更加丰富的结构。他们的发现由此被称为分数量子霍尔效应。

    图片 8

    量子霍尔效应示意图,来源:中国科普博览

    冯·克里津获得1985年诺贝尔物理学奖,而崔琦和史特莫则获得了 1998 年诺贝尔奖。到了2005年,英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。他们俩在2005年发现了石墨烯中的半整数量子霍尔效应,斩获2010年的诺贝尔物理学奖。

    简单来说,量子霍尔效应一般都是在超低温和强磁场等极端条件下出现。在极端条件下,电子的偏转不再像普通霍尔效应中一样,而是变得更加剧烈并且偏转半径变得很小,仿佛就在导体内部围绕着某点转圈圈。也就是说,导体中间的部分电子被“锁住了”,要想导通电流只能走导体的边缘。

    图片 9

    量子霍尔效应与霍尔效应最大的不同之处在于横向电压对磁场的响应明显不同. 横向电阻是量子化的:

    2018年12月18日,英国《自然》杂志刊登复旦大学物理学系修发贤课题组的最新研究成果《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》,这也是中国科学家首次在三维空间中发现量子霍尔效应。

    后来,中国科技大学与其合作团队在《自然》刊登论文表示,他们通过实验验证了三维量子霍尔效应,并发现了金属-绝缘体的转换。他们发现,人们能够通过控制温度和外加磁场实现金属-绝缘体的转化。这种原理可以用来制造“量子磁控开关”等电子元器件。三维量子霍尔效应材料中的电子迁移率都很快,电子能快速传输和响应,在红外探测、电子自旋器件等方面拥有应用前景。再次,三维量子霍尔效应因具有量子化的导电特性,还能应用于特殊的载流子传输系统。

    图片 10

    这个时候,就要讲到量子反常霍尔效应了,因为霍尔效应实现量子化,有着两个极端苛刻的前提条件:一是需要十几万高斯的强磁场,而地球的磁场强度才不过0.5高斯;二是需要接近于绝对零度的温度。

    在此背景下,科学家们又提出了一个设想:普通状态下的霍尔现象会出现反常,那么,量子化的霍尔现象是否也能出现反常?如果有,不是就可以解决外加高磁场的先决条件了吗?

    图片 11

    也就是说量子反常霍尔效应它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。在零磁场中就可以实现量子霍尔态,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。自1988年开始,就不断有理论物理学家提出各种方案,然而在实验上没有取得任何进展。

    我们可以用一个简单的比喻,来说明量子霍尔效应和量子反常霍尔效应之间的关系,我们使用计算机的时候,会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则,让它们在各自的跑道上“一往无前”地前进。

    图片 12

    本文由www.85058.com发布于产品评测,转载请注明出处:量子霍尔反常效应:5年探索,中国科学家献给世

    关键词: