我國(guó)科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)
清華大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所4月10日在京聯(lián)合宣布：
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研究所聯(lián)合組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)最近取得重大科研突破，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)到量子反常霍爾效應(yīng)。這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)也證實(shí)了此前中科院物理研究所與斯坦福大學(xué)理論團(tuán)隊(duì)的預(yù)言。
130多年前，美國(guó)物理學(xué)家霍爾先后發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)。1980年德國(guó)科學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，1982年美國(guó)科學(xué)家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，這兩項(xiàng)成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。物理學(xué)家認(rèn)為量子霍爾效應(yīng)家族中也應(yīng)該存在量子反?；魻栃?yīng)。但如何使其現(xiàn)身并在實(shí)驗(yàn)上觀(guān)測(cè)到成為近些年凝聚態(tài)物理學(xué)家探索的重要難題之一。拓?fù)浣^緣體這個(gè)新領(lǐng)域出現(xiàn)之后，2006年美國(guó)斯坦福大學(xué)/清華大學(xué)張首晟教授領(lǐng)導(dǎo)的理論組成功地預(yù)言了二維拓?fù)浣^緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng)，并于2008年提出了在拓?fù)浣^緣體中引入磁性實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的可能性。
2010年，中科院物理研究所方忠、戴希研究員等與張首晟教授合作，預(yù)言了Cr或Fe摻雜的Bi2Se3,Bi2Te3和Sb2Te3族三維拓?fù)浣^緣體薄膜是實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的最佳體系。要在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)反?；魻栃?yīng)的量子化需要拓?fù)浣^緣體材料同時(shí)滿(mǎn)足三項(xiàng)非?？量痰臈l件：材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦詮亩哂袑?dǎo)電的一維邊緣態(tài)；材料必須具有長(zhǎng)程鐵磁序從而存在反?；魻栃?yīng)；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有任何貢獻(xiàn)。在實(shí)際的材料中實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都具有相當(dāng)大的難度，而要同時(shí)滿(mǎn)足這三點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來(lái)講是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，德國(guó)、日本、美國(guó)的科學(xué)家由于無(wú)法在材料中同時(shí)滿(mǎn)足這三點(diǎn)而未取得最后的成功。
2009年起，由薛其坤院士帶領(lǐng)的清華大學(xué)物理系王亞愚、陳曦、賈金鋒和中科院物理所馬旭村、何珂、王立莉、呂力組成的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，與方忠、戴希、張首晟等理論物理學(xué)家合作，開(kāi)始向量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)發(fā)起沖擊。在過(guò)去近四年的時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng)和測(cè)量了超過(guò)1000個(gè)樣品，克服了重重障礙，一步步實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁性摻雜拓?fù)浣^緣體高質(zhì)量薄膜的生長(zhǎng)、表面電子態(tài)的觀(guān)測(cè)、特別是對(duì)其電子結(jié)構(gòu)、磁有序態(tài)和能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控。2012年10月，該團(tuán)隊(duì)利用分子束外延生長(zhǎng)了Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3薄膜，將其制備成輸運(yùn)器件并在極低溫環(huán)境下對(duì)其磁電阻和反?；魻栃?yīng)進(jìn)行了精密測(cè)量。他們發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場(chǎng)中的反常霍爾電阻達(dá)到了量子霍爾效應(yīng)的特征值h/e2～25800歐姆，從而證實(shí)了此前的理論預(yù)言。該成果于北京時(shí)間3月15日以"Experimental observation of the quantum anomalous Hall effect in a magnetic topological insulator"為題，在美國(guó)《科學(xué)》（Science）雜志在線(xiàn)發(fā)表，清華大學(xué)物理系博士生常翠祖、張金松、馮硝和中科院物理所博士生沈潔為文章的共同第一作者。
該成果的獲得是我國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期積累、協(xié)同創(chuàng)新、集體攻關(guān)的一個(gè)成功典范。前期，團(tuán)隊(duì)成員已在拓?fù)浣^緣體研究中取得過(guò)一系列的進(jìn)展，研究成果曾入選2010年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展和中國(guó)高校十大科技進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)成員還獲得了2011年“求是杰出科學(xué)家獎(jiǎng)”、“求是杰出科技成就集體獎(jiǎng)”和“中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)”，以及2012年“全球華人物理學(xué)會(huì)亞洲成就獎(jiǎng)”、“陳嘉庚科學(xué)獎(jiǎng)”等榮譽(yù)。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、教育部和中國(guó)科學(xué)院等的基金資助。
編輯：欣研
