《科學(xué)》發(fā)文評(píng)述量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)
清華新聞網(wǎng)4月14日電 4月12日出版的《科學(xué)》（Science）雜志在“展望”（Perspectives）欄目刊登美國(guó)新澤西州立大學(xué)物理與天文系教授Seongshik Oh撰寫(xiě)的題為“完整的量子霍爾家族三重奏”（The Complete Quantum Hall Trio）文章，對(duì)由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜，清華大學(xué)物理系和中科院物理所聯(lián)合組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體薄膜中，從實(shí)驗(yàn)上首次觀(guān)測(cè)到的量子反常霍爾效應(yīng)，以及此前發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)、量子自旋霍爾效應(yīng)進(jìn)行了評(píng)述。
完整的量子霍爾家族三重奏
Seongshik Oh
不需要外磁場(chǎng)的量子霍爾態(tài)的實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)，使人們終于能夠完整地演奏量子霍爾效應(yīng)的三重奏了。
當(dāng)電流在一個(gè)導(dǎo)體薄板中流動(dòng)時(shí)，如果施加一個(gè)垂直于薄板平面和電流方向的外加磁場(chǎng)，電荷會(huì)在導(dǎo)體薄板內(nèi)垂直于電流方向的邊緣積累，產(chǎn)生一個(gè)橫向電壓VT。這個(gè)效應(yīng)由Edwin Hall（埃德溫·霍爾）在1879年發(fā)現(xiàn)，稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。由于橫向電阻，又稱(chēng)霍爾電阻，定義為VT/I，正比于H/n（H是外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度，這里n是樣品中的載流子面密度），霍爾效應(yīng)被廣泛用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電材料中的載流子類(lèi)型（電子型或是空穴型）、濃度和遷移率。然而，上個(gè)世紀(jì)八十年代人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載流子被限制在一個(gè)二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在一定的外加磁場(chǎng)下，霍爾電阻變成了精準(zhǔn)的常數(shù)h/(ve2)，這里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(chēng)為量子霍爾效應(yīng)，它的實(shí)現(xiàn)必須有外加磁場(chǎng)的存在。在本期的167頁(yè)，常翠祖（注：常翠祖為清華大學(xué)物理系博士生）等人的文章報(bào)道了在磁性拓?fù)浣^緣體薄膜中，橫向電阻的精準(zhǔn)量子化甚至能夠發(fā)生在沒(méi)有外加磁場(chǎng)的情況。這個(gè)結(jié)果證實(shí)了期待已久的量子反?；魻栃?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（括號(hào)中的數(shù)字表示對(duì)應(yīng)的效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的年代）。H表示外加磁場(chǎng)強(qiáng)度，M表示自發(fā)磁化強(qiáng)度。這三種量子霍爾效應(yīng)中，電子都是沿著無(wú)耗散的邊緣運(yùn)動(dòng)，材料內(nèi)部是絕緣的?；魻枩y(cè)量是測(cè)量一個(gè)方向的“凈”電荷，對(duì)于量子霍爾效應(yīng)（左側(cè)）來(lái)說(shuō)，邊緣的不同自旋方向的電子都是朝著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；對(duì)于量子自旋霍爾效應(yīng)（中間）來(lái)說(shuō)，不同自旋方向的電子的運(yùn)動(dòng)方向不同；在量子反常霍爾效應(yīng)（右側(cè)）中，沿邊緣運(yùn)動(dòng)的只有自旋向下的電子。自旋和電荷運(yùn)動(dòng)方向的“鎖定”機(jī)制和邊緣通道的數(shù)量取決于材料本身，這里只說(shuō)明了最簡(jiǎn)單的情況。
在量子霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)不久，人們意識(shí)到這種量子化是由于在外磁場(chǎng)下導(dǎo)體內(nèi)部變得完全絕緣，只有其邊緣存在無(wú)耗散的一維導(dǎo)電通道的情況下造成的，一維無(wú)耗散通道的數(shù)量就是整數(shù)值v。這種情況下，電子只能夠沿著一邊向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)而無(wú)法被散射到由絕緣體態(tài)隔開(kāi)的導(dǎo)體的另一邊，因?yàn)橹挥辛硪贿叢庞蟹捶较虻倪\(yùn)動(dòng)。當(dāng)橫向電阻量子化時(shí)，縱向（電荷流動(dòng)方向）的電阻會(huì)完全變?yōu)榱恪?/p>
當(dāng)人們對(duì)量子霍爾效應(yīng)的理解逐漸成熟后，問(wèn)題自然出現(xiàn)了：這種無(wú)耗散的邊緣態(tài)是否能夠在沒(méi)有外加磁場(chǎng)的情況下存在？1988年，一個(gè)理論學(xué)家預(yù)言了這種邊緣態(tài)能夠在二維晶格中存在。經(jīng)歷了近20年的探索，這種能夠在無(wú)外加磁場(chǎng)情況下存在的無(wú)耗散邊緣態(tài)首先在HgTe/CdTe量子阱材料中被發(fā)現(xiàn)。然而，由于缺乏外加磁場(chǎng)迫使電流沿單一方向流動(dòng)，這種材料中同時(shí)存在順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向的邊緣態(tài)。由于重元素中很強(qiáng)的自旋軌道耦合相互作用，電流方向由電子的自旋方向（自旋向上或是自旋向下）決定。這個(gè)現(xiàn)象是量子自旋霍爾效應(yīng)，也就是自旋霍爾效應(yīng)的量子化。
如果量子自旋霍爾系統(tǒng)中一個(gè)方向的自旋通道能夠被抑制，比如，通過(guò)鐵磁性，這自然的會(huì)導(dǎo)致量子反?；魻栃?yīng)。鐵磁導(dǎo)體中的霍爾電阻由正比于磁場(chǎng)的正?；魻栃?yīng)部分和正比于材料磁化帶來(lái)的反?；魻栃?yīng)部分組成。量子反常霍爾效應(yīng)指的是反?；魻栃?yīng)部分的量子化。量子自旋霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)極大地促進(jìn)了量子反?；魻栃?yīng)的研究進(jìn)程。前期的理論預(yù)言指出，量子反常霍爾效應(yīng)能夠通過(guò)抑制HgTe系統(tǒng)中的一條自旋通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。遺憾的是，目前還沒(méi)有能夠在這個(gè)材料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鐵磁性，即而無(wú)法實(shí)現(xiàn)量子化反?；魻栃?yīng)。后來(lái)又有理論預(yù)言指出，將Bi2 Se3這種拓?fù)浣^緣體材料做薄并且進(jìn)行磁性摻雜，就有可能能夠?qū)崿F(xiàn)量子霍爾電阻為h/(ve2)的量子反?；魻栃?yīng)。這個(gè)理論預(yù)言被常翠祖等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
（要在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)，）常翠祖等人需要戰(zhàn)勝一系列非常困難的材料問(wèn)題。量子反?；魻栃?yīng)要求材料的體導(dǎo)電和表面導(dǎo)電通道完全被抑制掉。上面理論預(yù)言的Bi2 Se3體系，由于存在不可避免的Se空位缺陷導(dǎo)致的高濃度的電子型摻雜，不能滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的要求。為了避免這個(gè)問(wèn)題，他們選擇了（Bi1-x Sbx)2 Te3體系。這個(gè)體系中，可以通過(guò)改變Sb的組分x，他們能夠?qū)①M(fèi)米能級(jí)調(diào)到鐵磁性導(dǎo)致的能隙內(nèi)的電荷中性點(diǎn)上。通過(guò)對(duì)材料各種參數(shù)進(jìn)一步的不斷優(yōu)化，他們最終實(shí)現(xiàn)了無(wú)外加磁場(chǎng)情況下量子化的霍爾電阻。
他們觀(guān)察到的量子反?；魻栃?yīng)的性質(zhì)是非常穩(wěn)定的。首先，為了避免自旋翻轉(zhuǎn)散射的影響，觀(guān)測(cè)量子自旋霍爾效應(yīng)需要微小尺寸的樣品，而量子反常霍爾效應(yīng)能夠在幾百微米量級(jí)的宏觀(guān)尺度下實(shí)現(xiàn)。其次，讓人稱(chēng)奇的是，這種嚴(yán)格的量子化能夠在具有相當(dāng)?shù)偷倪w移率和非零體導(dǎo)電通道的材料中實(shí)現(xiàn)。這些都說(shuō)明量子反?；魻栃?yīng)比量子自旋霍爾效應(yīng)要穩(wěn)定得多，可以媲美甚至比量子霍爾效應(yīng)有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。
觀(guān)測(cè)到的量子反?；魻栃?yīng)的嚴(yán)格量子化和無(wú)耗散通道的存在可能能夠用于很多應(yīng)用中。比如，這種邊緣態(tài)可以用來(lái)作為自旋電子器件所需的的無(wú)耗散自旋過(guò)濾通道。不需要外加磁場(chǎng)的精準(zhǔn)的霍爾電阻可以方便地用來(lái)做電阻標(biāo)準(zhǔn)。但是目前談這些應(yīng)用還為時(shí)過(guò)早。這是因?yàn)椋含F(xiàn)有材料體系的鐵磁性居里溫度還很低，加上材料在其它方面的不盡人意，量子反?；魻栃?yīng)只有在極低的溫度下才能觀(guān)察到。然而，通過(guò)在材料上的突破，也許在未來(lái)的某天你會(huì)發(fā)現(xiàn)，量子反?；魻栃?yīng)會(huì)廣泛地應(yīng)用在我們每天使用的移動(dòng)電子器件上。
（參考文獻(xiàn)略）
