“量子反常霍尔效应”研究取得重大突破

本刊资料室

由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队，经过数年不懈探索和艰苦攻关，最近成功实现了“量子反常霍尔效应”.这是国际上该领域的一项重要科学突破.

1 霍尔效应

1879年 美国物理学家霍尔(A.H.Hall，1855～1938)在研究金属的导电机制时发现,在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，在垂直于电流和磁场方向的导体两端将产生电压，这个现象称为霍尔效应.霍尔效应是由于磁场的洛伦兹力作用使电子的运动产生偏转，在导体两端分别聚集了正、负电荷而形成.霍尔效应的电压被称为霍尔电压，霍尔电压与施加的电流之比则被称为霍尔电阻.由于洛伦兹力的大小与磁场成正比，所以,霍尔电阻也与磁场成线性变化关系.利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件，其在工程技术中有广泛的应用.

图1 霍尔效应的原理

2 量子霍尔效应

在霍尔效应发现约100年后，德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing, 1943～ )等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了量子霍尔效应，克利青为此获得了1985年的诺贝尔物理学奖. 之后，美籍华裔物理学家崔琦(1939～ )和美国物理学家劳克林(R.B.Laughlin，1950～ )、施特默(H.L. Strmer，1949～ )在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应，这个发现使人们对量子现象的认识更进一步，他们为此获得了1998年的诺贝尔物理学奖.

量子霍尔效应与普通霍尔效应的主要区别在于，普通霍尔效应中，电子运动是杂乱无章的、无序的，不断发生碰撞而发热；量子霍尔效应中电子运动则是有序的，也就是说，量子霍尔效应能解决电子碰撞发热的问题，据此设计新一代大规模集成电路和元器件，将会具有极低的能耗.

尽管前景诱人，但量子霍尔效应的实现需要一个非常强的外加磁场，这就极大地限制了它的应用可能性.因此，找到一种不需要外加磁场的量子霍尔效应就成为现代物理学研究的下一个目标.

3 量子反常霍尔效应

1988年，美国物理学家霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)曾提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应.不需要外加磁场的量子霍尔效应称为量子反常霍尔效应，它与普通的霍尔效应有本质上的不同，因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转.反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的，因此是一类新的重要物理效应.但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径.2010年，中科院物理所方忠、戴希带领的团队与复旦校友、美国斯坦福大学教授张首晟教授等合作，从理论与材料设计上取得了突破，他们提出Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3，Bi2Se3，Sb2Te3族拓扑绝缘体中存在着特殊的V.Vleck铁磁交换机制，能形成稳定的铁磁绝缘体，是实现量子反常霍尔效应的最佳体系.他们的计算表明，这种磁性拓扑绝缘体多层膜在一定的厚度和磁交换强度下，即处在“量子反常霍尔效应”态.该理论与材料设计的突破引起了国际上的广泛兴趣，世界许多顶级实验室都争相投入到这场竞争中来，沿着这个思路寻找量子反常霍尔效应.但一直没有取得突破.

图2 量子反常霍尔效应的示意图，拓扑非平庸的能带结构产生具有手征性的边缘态，从而导致量子反常霍尔效应

在磁性掺杂的拓扑绝缘体材料中实现“量子反常霍尔效应”，对材料生长和输运测量都提出了极高的要求，即材料必须具有铁磁长程有序；铁磁交换作用必须足够强以引起能带反转，从而导致拓扑非平庸的能带结构；同时，体内的载流子浓度必须尽可能地低.中科院物理所何珂、吕力、马旭村、王立莉、方忠、戴希等组成的团队和清华大学物理系薛其坤、张首晟、王亚愚、陈曦、贾金锋等组成的团队合作攻关，用了4年多时间，克服了薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温(30 mK)输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”.该结果于2013年3月14日在Science上在线发表，清华大学和中科院物理所为共同第一作者单位.

4 量子反常霍尔效应发现的意义

量子反常霍尔效应与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质，是一种全新的量子效应，因而，量子反常霍尔效应的发现将极大加深与拓展人类对微观世界特征的认识.量子反常霍尔效应的发现，使人类有可能发展新一代的小型、低耗、高速电子器件，从而解决电脑发热和摩尔定律的瓶颈问题.因此，量子反常霍尔效应的应用，可能把信息技术发展推向一个新的阶段.不过，量子反常霍尔效应目前是在极低温度(30 mK)下实现的，因此，量子反常霍尔效应的真正应用，可能还有很长的科学路程.