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澳门葡亰娱乐场手机版科学家首次观测到三维量子霍尔效应

作者:澳门葡亰娱乐场手机版    发布时间:2019-12-02 22:29     浏览次数 :88

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《自然》:中国科大首次观测到三维量子霍尔效应

由中国科学技术大学、中国科学院、美国社会科学院乔振华教授领导的研究小组。南方科技大学张立元教授首次对ZrTe5晶体中的三维量子霍尔效应进行了实验观察。

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量子霍尔效应研究:从二维迈向三维

从八十年代初在二维电子体系中发现至今,量子霍尔效应作为超导之外的另一个著名宏观量子现象在凝聚态物理中催生出了一个越趋活跃的研究领域。其内在本质,是将数学中的拓扑概念引入物理,超越了Landau根据对称性破缺理论对物质分类的传统标准,为近年的拓扑物态与拓扑材料的快速发展奠定了基础。

这项研究发表在《自然》杂志上(“ZrTe5中的三维量子霍尔效应和金属-绝缘体跃迁”)。

在国家自然科学基金项目(批准号:11874193,11474265)等资助下,南方科技大学物理系张立源研究组、中国科学技术大学物理学院乔振华研究组与新加坡科技设计大学杨声远教授、美国佛罗里达州立大学杨昆教授、麻省理工学院Patrick A. Lee教授和布鲁海文国家实验室Genda Gu教授合作在量子霍尔效应研究领域取得重要进展,在五碲化锆块体单晶材料中首次观测到三维量子霍尔效应。该成果以“Three-dimensional Quantum Hall Effect and Metal–insulator Transition in ZrTe5”(五碲化锆中的三维量子霍尔效应和金属绝缘体相变)为题,于5月8日在线发表在Nature上,文章链接:

■本报记者 黄辛 通讯员 龚凡

量子霍尔效应是否只存在于二维体系?这个基础问题从二维量子霍尔效应发现后不久即引起领域的关注。早在1987年,Bertrand Halperin从理论上就预言了三维量子霍尔效应的存在和它的测量特征。但要验证这个新奇效应,对材料体系与测量手段的要求都非常高;尽管已有诸多尝试,实验上仍缺乏可信的观测证据。

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上世纪八十年代,德国科学家冯·克利青在二维体系中实验发现了量子霍尔效应, 开启了凝聚态物理学中研究拓扑物理的新时代,也深刻地改变了人们对相变和物态分类的理解。特别是最近十多年来,拓扑量子物态和拓扑量子材料的研究已经成为当前凝聚态物理最活跃的研究领域之一。把量子霍尔效应从二维拓展到三维体系,这项研究在二维量子霍尔效应实验发现后不久便引起关注。哈佛大学著名物理学家Bertrand Halperin教授1987年在理论上预言了三维量子霍尔效应的可能存在方式和具体特征。然而,该项实验对测量条件和材料品质的要求异常苛刻,科研人员进行了诸多尝试,但实验上未获得确信的直接观测证据。

“你说这么薄算二维吗?”复旦大学物理学系教授修发贤拿起一张A4纸:“这个厚度最起码已经到几十微米了,但真正的二维是几个原子层厚,仅有几纳米,是纸张厚度的万分之一。”

合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系的乔振华教授与南方科技大学张立源教授、新加坡科技设计大学杨声远教授、美国佛罗里达州立大学的杨昆教授、麻省理工学院的Patrick A. Lee教授和布鲁海文国家实验室的Genda Gu教授等理论与实验合作,在碲化锆块体单晶体材料中首次观测到三维量子霍尔效应的明确证据,并指出该效应可能是由于磁场下相互作用产生的电荷密度波诱导的。这一重要研究成果5月9日在线发表在国际权威学术期刊《自然》上。

在ZrTe5系统中观察到三维量子霍尔效应。(图片来源:王国燕,何聪)

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量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一,迄今已有4个诺贝尔奖与其直接相关。但100多年来,科学家们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系,从未涉足三维领域。

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正常情况下,电子沿直线运动——这意味着电流通常沿电压降的方向流动。当磁场作用于垂直于电流的方向时,会对载流子施加横向力,从而产生横向电位差。这种现象就是著名的霍尔效应。

图1 a. ZrTe5的晶格结构;b. 实验测量的费米面形状,该费米面是封闭的,表征该电子体系的三维

修发贤课题组近日在该领域实现突破,在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了从二维到三维的关键一步。

1980年,德国物理学家克劳斯·冯·克里津发现了霍尔效应的量子力学版本。1987年,哈佛大学的伯特兰·哈尔佩林提出了这种三维量子霍尔效应的签名。在三维系统中实现量子霍尔效应的直接策略是将二维拓扑材料逐层叠加。在每一层的边界上,电子可以像水中的一条畅通无阻的船一样向前移动。然而,每个边界之间的能量差距的存在阻碍了电子从一层到另一层的运动。在这种情况下,这样的系统仍然是二维的。

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12月18日,相关研究成果在线发表于《自然》。

碲化锆是一种新型的三维层状材料,具有独特的热电性能和对温度的异常电阻依赖性。2014年以来,张教授的团队一直在研究ZrTe5的拓扑特性,发现ZrTe5是研究三维量子霍尔效应的理想平台。2017年,乔教授的团队开始与张的团队紧密合作。他们把三维量子霍尔效应在体材料上的观察变成了现实。

图2 a. ZrTe5金属绝缘体量子相变的标度行为;b. ZrTe5磁场与温度的电子相图

给电子“定规矩”