《科學(xué)》刊文評(píng)介量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)覺
4月12日出版的《科學(xué)》（）刊物在“展望”（）欄目刊載日本舊金山州立學(xué)院數(shù)學(xué)與天文系院長Oh撰寫的題為“完整的量子霍爾家族三重奏”（TheHallTrio）文章，對(duì)由復(fù)旦學(xué)院薛其坤教授領(lǐng)銜，復(fù)旦學(xué)院數(shù)學(xué)系和中科院化學(xué)所聯(lián)合組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，在磁性參雜的拓?fù)浣^緣體薄膜中，從實(shí)驗(yàn)上首次觀測到的量子反常霍爾效應(yīng)，以及此前發(fā)覺的量子霍爾效應(yīng)、量子載流子霍爾效應(yīng)進(jìn)行了評(píng)介。
完整的量子霍爾家族三重奏
Oh
不須要外磁場的量子霍爾態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀測，使人們總算才能完整地彈奏量子霍爾效應(yīng)的三重奏了。
當(dāng)電壓在一個(gè)導(dǎo)體板材中流動(dòng)時(shí)，假若施加一個(gè)垂直于板材平面和電壓方向的外加磁場，電荷會(huì)在導(dǎo)體板材內(nèi)垂直于電壓方向的邊沿積累，形成一個(gè)縱向電流VT。這個(gè)效應(yīng)由EdwinHall（埃德溫·霍爾）在1879年發(fā)覺，稱為霍爾效應(yīng)。因?yàn)榭v向阻值，又稱霍爾阻值，定義為VT/I，反比于H/n（H是外加磁場的硬度，這兒n是樣品中的自旋面密度），霍爾效應(yīng)被廣泛拿來檢測導(dǎo)電材料中的自旋類型（電子型或是空穴型）、濃度和遷移率。但是，上個(gè)世紀(jì)八十年代人們發(fā)覺，當(dāng)柵極被限制在一個(gè)二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在一定的外加磁場下，霍爾內(nèi)阻弄成了精準(zhǔn)的常數(shù)h/(ve2)，這兒h是普朗克常數(shù)，e是電子電荷，v是正整數(shù)。這個(gè)現(xiàn)象被稱為量子霍爾效應(yīng)，它的實(shí)現(xiàn)必須有外加磁場的存在。在本期的167頁，常翠祖（注：常翠祖為復(fù)旦學(xué)院化學(xué)系博士生）等人的文章報(bào)導(dǎo)了在磁性拓?fù)浣^緣體薄膜中，縱向阻值的精準(zhǔn)量子化甚至還能發(fā)生在沒有外加磁場的情況。這個(gè)結(jié)果否認(rèn)了期盼已久的量子反常霍爾效應(yīng)的存在，這是量子霍爾家族的最后一位成員（如圖所示）。
量子霍爾家族（括弧中的數(shù)字表示對(duì)應(yīng)的效應(yīng)發(fā)覺的年代）。H表示外加磁場硬度，M表示自發(fā)磁化硬度。這三種量子霍爾效應(yīng)中，電子都是順著無耗散的邊沿運(yùn)動(dòng)，材料內(nèi)部是絕緣的。霍爾檢測是檢測一個(gè)方向的“凈”電荷，對(duì)于量子霍爾效應(yīng)（右邊）來說，邊沿的不同載流子方向的電子都是朝著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；對(duì)于量子載流子霍爾效應(yīng)（中間）來說反常霍爾效應(yīng)，不同載流子方向的電子的運(yùn)動(dòng)方向不同；在量子反常霍爾效應(yīng)（右邊）中，沿邊沿運(yùn)動(dòng)的只有載流子向上的電子。載流子和電荷運(yùn)動(dòng)方向的“鎖定”機(jī)制和邊沿通道的數(shù)目取決于材料本身，這兒只說明了最簡單的情況。
在量子霍爾效應(yīng)發(fā)覺不久，人們意識(shí)到這些量子化是因?yàn)樵谕獯艌鱿聦?dǎo)體內(nèi)部顯得完全絕緣，只有其邊沿存在無耗散的一維導(dǎo)電通道的情況下導(dǎo)致的，一維無耗散通道的數(shù)目就是整數(shù)值v。這些情況下，電子只才能順著一邊向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)而難以被散射到由絕緣體態(tài)隔開的導(dǎo)體的另一邊，由于只有另一邊才有反方向的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)縱向內(nèi)阻量子化時(shí)，橫向（電荷流動(dòng)方向）的內(nèi)阻會(huì)完全變?yōu)榱恪?span style="display:none">tHx物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
當(dāng)人們對(duì)量子霍爾效應(yīng)的理解漸漸成熟后，問題自然出現(xiàn)了：這些無耗散的邊沿態(tài)是否還能在沒有外加磁場的情況下存在？1988年，一個(gè)理論學(xué)家預(yù)言了這些邊沿態(tài)就能在二維晶格中存在。經(jīng)歷了近20年的探求，這些才能在無外加磁場情況下存在的無耗散邊沿態(tài)首先在HgTe/CdTe量子阱材料中被發(fā)覺。但是，因?yàn)槿鄙偻饧哟艌龃偈闺妷貉貑我环较蛄鲃?dòng)，這些材料中同時(shí)存在順秒針和逆秒針兩個(gè)方向的邊沿態(tài)。因?yàn)橹卦刂泻軓?qiáng)的載流子軌道耦合互相作用，電壓方向由電子的載流子方向（載流子向下或是載流子向上）決定。這個(gè)現(xiàn)象是量子載流子霍爾效應(yīng)，也就是載流子霍爾效應(yīng)的量子化。
假如量子載流子霍爾系統(tǒng)中一個(gè)方向的載流子通道才能被抑制，例如，通過鐵磁性，這自然的會(huì)造成量子反常霍爾效應(yīng)。鐵磁導(dǎo)體中的霍爾內(nèi)阻由反比于磁場的正常霍爾效應(yīng)部份和反比于材料磁化帶來的反常霍爾效應(yīng)部份組成。量子反常霍爾效應(yīng)指的是反常霍爾效應(yīng)部份的量子化。量子載流子霍爾效應(yīng)的發(fā)覺極大地推動(dòng)了量子反常霍爾效應(yīng)的研究進(jìn)程。前期的理論預(yù)言強(qiáng)調(diào)，量子反常霍爾效應(yīng)還能通過抑制HgTe系統(tǒng)中的一條載流子通道來實(shí)現(xiàn)。遺憾的是，目前還沒有才能在這個(gè)材料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鐵磁性，即而未能實(shí)現(xiàn)量子化反常霍爾效應(yīng)。后來又有理論預(yù)言強(qiáng)調(diào)，將Bi2Se3這些拓?fù)浣^緣體材料做薄而且進(jìn)行磁性參雜，就有可能就能實(shí)現(xiàn)量子霍爾內(nèi)阻為h/(ve2)的量子反常霍爾效應(yīng)。這個(gè)理論預(yù)言被常翠祖等人通過實(shí)驗(yàn)否認(rèn)。
（要在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，）常翠祖等人須要擊敗一系列特別困難的材料問題。量子反常霍爾效應(yīng)要求材料的體導(dǎo)電和表面導(dǎo)電通道完全被抑制掉。里面理論預(yù)言的Bi2Se3體系，因?yàn)榇嬖诓豢煞乐沟腟e空位缺陷造成的高含量的電子型參雜，不能滿足實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的要求。為了防止這個(gè)問題，她們選擇了（Bi1-xSbx)2Te3體系。這個(gè)體系中，可以通過改變Sb的組分x反常霍爾效應(yīng)，她們能否將費(fèi)米基態(tài)調(diào)到鐵磁性造成的能隙內(nèi)的電荷中性點(diǎn)上。通過對(duì)材料各類參數(shù)進(jìn)一步的不斷優(yōu)化，她們最終實(shí)現(xiàn)了無外加磁場情況下量子化的霍爾內(nèi)阻。
她們觀察到的量子反常霍爾效應(yīng)的性質(zhì)是十分穩(wěn)定的。首先，為了防止載流子翻轉(zhuǎn)散射的影響，觀測量子載流子霍爾效應(yīng)須要微小規(guī)格的樣品，而量子反常霍爾效應(yīng)還能在幾標(biāo)頭米量級(jí)的宏觀尺度下實(shí)現(xiàn)。其次，讓人稱奇的是，這些嚴(yán)格的量子化才能在具有相當(dāng)?shù)偷倪w移率和非零體導(dǎo)電通道的材料中實(shí)現(xiàn)。那些都說明量子反常霍爾效應(yīng)比量子載流子霍爾效應(yīng)要穩(wěn)定得多，可以比肩甚至比量子霍爾效應(yīng)有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。
觀測到的量子反常霍爾效應(yīng)的嚴(yán)格量子化和無耗散通道的存在可能還能用于好多應(yīng)用中。例如，這些邊沿態(tài)可以拿來作為載流子電子元件所需的的無耗散載流子過濾通道。不須要外加磁場的精準(zhǔn)的霍爾內(nèi)阻可以便捷地拿來做內(nèi)阻標(biāo)準(zhǔn)。并且目前談這種應(yīng)用還為時(shí)過早。這是由于：現(xiàn)有材料體系的鐵磁性居里氣溫還很低，加上材料在其它方面的不盡人意，量子反常霍爾效應(yīng)只有在極低的氣溫下能夠觀察到。但是，通過在材料上的突破，其實(shí)在未來的某日你會(huì)發(fā)覺，量子反常霍爾效應(yīng)會(huì)廣泛地應(yīng)用在我們每天使用的聯(lián)通電子元件上。