Science發佈,量子反常霍爾效應突破性進展

量子反常霍爾效應是在零外磁場條件下產生的量子霍爾效應,已經成為當今凝聚態物理領域一個備受關注的研究熱點。傳統的量子霍爾效應源於電子在外加强磁場作用下的朗道能級;而作為一種新的量子態,量子反常霍爾效應源於資料自身的自旋軌道耦合和局域交換場的協同作用。

溫馨提示:最下方有三個學術報告視頻介紹該工作(其中張遠波教授中、英文報告各一個,王靖教授英文報告一個)

背景介紹

量子反常霍爾效應是在零外磁場條件下產生的量子霍爾效應,已經成為當今凝聚態物理領域一個備受關注的研究熱點。傳統的量子霍爾效應源於電子在外加强磁場作用下的朗道能級;而作為一種新的量子態,量子反常霍爾效應源於資料自身的自旋軌道耦合和局域交換場的協同作用。該效應在1988年首先由美國科學家F. D. M.Haldane在理論上提出,隨後物理學家們試圖在多類新型量子資料中實現這一效應。直到2013年才首次由清華大學的薛其坤教授所主導的國際研究團隊,在超低溫(~0.03K)的極端條件下,在磁性元素摻雜的拓撲絕緣體中觀測到[Science 340,167(2013)]。截至目前,國內外的多個實驗組都已經在磁性摻雜拓撲絕緣體中(比如將Cr/V摻入(Bi,Sb)2Te3)觀測到該效應,但都要求極低的實驗實現溫度,這大大限制了該效應在新型電子器件上的潜在應用。主要瓶頸可能與實驗中不可避免的磁性摻雜元素的非均勻性分佈相關。囙此,如何在更高溫度或其它更易實現的體系裏觀察到這一新奇的量子效應,具有重要的基礎與應用價值。

最近,MnBi2Te4範德華層狀資料體系在實驗上成功的製備出來,並被證明是本征的磁性拓撲絕緣體。該資料由Mn-Bi-Te元素構成的7個原子層為基本模塊單元,在模塊單元內Mn元素間是鐵磁耦合,而通過範德華相互作用堆疊的模塊單元間是反鐵磁耦合。這導致MnBi2Te4薄膜體系的磁性會隨堆疊層的奇偶數而變,在奇數堆疊層內,由於有未完全抵消的磁矩而呈現出剩餘的鐵磁性,囙此,奇數層(例如三層或五層)的MnBi2Te4薄膜體系被認為是可以實現量子反常霍爾效應的理想體系。

實驗重大突破

復旦大學張遠波課題組和王靖課題組,與中國科學技術大學陳仙輝院士團隊合作,首次在本征磁性拓撲絕緣體中在1.4K觀測到量子反常霍爾效應。該研究成果以“Quantum Anomalous Hall Effect in Intrinsic Magnetic TopologicalInsulator MnBi2Te4”為題於1月23日(美國東部時間)發表在國際頂級學術期刊《Science》上。

中國科學技術大學微尺度物質科學中心和物理系陳仙輝教授與復旦大學物理學系張遠波教授和王靖教授為論文共同通訊作者。中國科學技術大學微尺度國家科學中心博士生石孟竹與復旦大學物理學系博士生鄧雨君和博士後於逸駿為論文共同第一作者。

在磁性拓撲絕緣體中,非平庸的拓撲能帶結構與長程磁有序的結合將誘匯出一系列新奇量子現象和拓撲物態,量子反常霍爾效應和軸子絕緣體是其中的典型代表。為了引入長程磁有序,現行的方法為磁性雜質摻雜。然而這種磁性摻雜的隨機性不可避免地會引入一些無序,使得這些新奇物態的觀測只能在極低溫(mK)實現,也阻礙了進一步對其進行物理研究。近來,本征磁性拓撲絕緣體(MnBi2Te4)m(Bi2Te3)n系列資料的發現為解决這些問題提供了新思路。這類資料均含有MnBi2Te4層,在層內Mn離子之間鐵磁排列,而層與層之間則形成反鐵磁耦合。理論預言其拓撲表面態會因時間反演對稱性破缺而打開能隙,從而為實現量子反常霍爾效應等量子現象提供了理想平臺。陳仙輝課題組在前期工作中研究了這一系列單晶資料中的本征磁性及拓撲性質,並製備出高品質的單晶資料,為實現理論預言的量子反常霍爾效應奠定了基礎。

相關視頻

張遠波教授在第二十二届全國半導體物理學術會議中作了題為:“Magnetic-field-induced quantized anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi₂Te₄”(中文版)

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在ICFSI-17會議中,張教授也以題為“Magnetic-field-induced quantized anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi₂Te₄”作了精彩報告。(英文版)

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另外,王靖教授在第五届量子資訊、時空、拓撲態國際會議中也以題為“Axion response in antiferromagnetic topological insulator”作了相關報告。(英文版)

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個人簡介

圖|張遠波

張遠波,2000年在北京大學科技物理系獲學士學位,北京大學經濟研究中心獲雙學士學位,2006年於美國紐約哥倫比亞大學獲物理系博士學位,2006年-2009年在加州大學伯克利分校任Miller Research Fellow,從事博士後研究工作,2010年在IBM Almaden Research Center做博士後研究員,2011年至今,在復旦大學物理系任教授、博士生導師。其研究領域:實驗凝聚態物理。1)研究在石墨烯中相對論效應對電子影響,包括由此引起的反常量子霍爾效應,准自旋物理等。2)發展新的樣品製備和探測手段來研究其它低維度系統的結構和電磁性質。3)在極端物理條件下(極低溫度,超强磁場)用電子輸運的辦法來觀察所有這些低維電子體系的電磁特性,尋找可能存在的新的量子基態。

圖|王靖

王靖,2001-2011年畢業於清華大學物理系,獲本科、博士學位。(導師:朱邦芬)。2011-2015年斯坦福大學物理系博士後。(導師:張首晟)。2015-2016年任斯坦福SLAC,Research Associate。2016年至今任復旦大學物理系教授。現時主要從事凝聚態物理理論的研究,主要研究興趣集中在凝態體系中的新奇量子現象的理論研究。現時研究課題包括拓撲絕緣體和拓撲超導體,拓撲半金屬,自旋電子學,低維量子體系的電子和輸運性質,介觀體系的非線性光學。主要研究成果發表於國際一流刊物,現時發表論文40餘篇,其中包括在Physical Review Letters上發表12篇,Nature Physics一篇,Nature Materials一篇,Nature Nanotechnology一篇,Science兩篇,Nature一篇等。多個理論工作被實驗驗證和應用。論文總引用2500多次,H指數為24。於2013年獲得全國優秀博士學位論文獎。2016年獲得中組部教育部重要人才計畫支持。

圖|陳仙輝

陳仙輝,中國科學院院士,中國科大教授,中科院强耦合量子材料物理重點實驗室主任。獲國家傑青,國家自然科學一等獎,獲國際超導材料最高獎Bernd T. Matthias獎、何梁何利基金科學與科技進步獎、TWAS第三世界科學院物質科學獎等。主要從事新型非常規超導體的探索及超導和强關聯物理的硏究。成就包括:在鐵基超導體硏究中常壓下突破麥克米蘭極限;發展了一種新超導體合成方法,並首次獲得零電阻溫度43K的新型鐵硒類超導體-鋰鐵氫氧鐵硒;發展了固體離子場效應科技,在FeSe薄層中實現大範圍的載流子濃度調控,獲得高溫超導相和觀察到超導-絕緣態轉變,開闢了利用固態離子導體門電壓科技探索超導電性的研究方向;與合作者成功製備大面積單層Bi2212單晶,並給出了二維極限下的單層銅基超導體具有和塊體銅基超導體相同超導特性的實驗證據;與合作者成功實現黑磷晶體場效應管,開闢了繼石墨烯之後又一個量子功能資料領域。發表SCI學術論文390餘篇(其中Science 1篇、Nature6篇、Nature子刊19篇、PRL37篇、PRX5篇),單篇論文最高引用超過3500次。

本文標題: Science發佈,量子反常霍爾效應突破性進展
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656067710165595
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