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人民网:从二维到三维,在量子霍尔领域实现重大突破
中国科学家发现基于外尔轨道的三维量子霍尔效应

作者:姜泓冰来源:人民网 2018年12月18日发布时间:2018-12-21

量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一,但以往对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系。近日,复旦大学物理学系修发贤课题组首先实现重大突破,在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了从二维到三维的关键一步。相关研究成果今天凌晨以《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》为题在线发表于《自然》(Nature)。修发贤为通讯作者,复旦大学物理学系博士生张成,复旦校友、康奈尔大学博士后张亿和复旦大学物理学系博士生袁翔为共同第一作者。

130多年前,美国物理学家霍尔就发现,对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场,电子的运动轨迹将发生偏转,在导体的纵向方向产生电压,这个电磁现象就是“霍尔效应”。如果将电子限制在二维平面内,在强大的磁场作用下,电子的运动可以在导体边缘做一维运动,变得“讲规则”“守秩序”。但以往的实验证明,量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。

“我们在砷化镉纳米片中看到这一现象时,非常震惊,三维体系里边怎么会出现量子霍尔效应?”2016年10月,修发贤及其团队第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到量子霍尔效应,就像目睹汽车飞到空中那样又惊又喜。随后日本和美国也有科学家在同样的体系中观测到这一效应,但实际的电子运动机制并不明确。

修发贤课题组提出了他们的猜想:一种可能的方式是从上表面到下表面的体态穿越,电子做了垂直运动;另一种可能是电子在上下两个表面,即在两个二维体系中,分别独立形成了量子霍尔效应。课题组决定打破砂锅问到底。面对千分之一根头发丝大小的实验材料,快如闪电的电子运动速度,实验该怎么做?他们创新性地利用楔形样品实现可控的厚度变化。通过测量量子霍尔平台出现的磁场,可以用公式推算出量子霍尔台阶。实验发现,电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响。这说明,随着样品厚度的变化,电子的运动时间也在变。电子的隧穿行为由此得到证明,三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开。

“电子在上表面走一段四分之一圈,穿越到下表面,完成另外一个四分之一圈后,再穿越回上表面,形成半个闭环,这个隧穿行为也是无耗散的,所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。”修发贤说,整个轨道就是三维的“外尔轨道”,是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源。

据悉,该研究的难点在于材料的制备和器件的测量。材料必须能够精确的控制厚度,有很高迁移率。课题组经过5年摸索才达到厚度的可控性(50-100nm),迁移率达到10万。其次,材料测量必须在零下270多度的低温和相当于地磁场百万倍的三十多特斯拉强磁场等极端条件下进行,既精细又艰苦。

在拓扑半金属领域,修发贤课题组一直坚持做基础性、原创性工作。从2014年起,他们选择材料体系非常好的砷化镉入手,从大块的体材料到大片的薄膜,再到纳米类结构和纳米单晶,已取得多项重要成果。三维量子霍尔效应的发现,更为这一领域前沿发展打上“中国烙印”。 修发贤表示,这一发现可为今后凝聚态物理领域进一步科研探索提供一定的实验基础,也使人们更深入了解了该材料体系的物理特性。因其具有非常高的迁移率、电子的传输和响应很快,可能会在红外探测、电子自旋方面做出原型器件。

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