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中國科研人員通過實驗驗證三維量子霍爾效應

發布時間:2019-06-21 10:54:46 來源:科技日報 責任編輯:caobo

量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一,迄今已有四個諾貝爾獎與其直接相關。但是三維量子霍爾效應一百多年來都是科學家們心中的一片圣地,直到去年12月,我國復旦大學物理學系修發賢課題組才公布,人類首次觀測到三維量子霍爾效應。

而近日,中國科技大學與其合作團隊在《自然》刊登論文表示,他們通過實驗驗證了三維量子霍爾效應,并發現了金屬-絕緣體的轉換。

電信號與磁信號轉換的橋梁

之前,科學家對于量子霍爾效應的研究僅僅停留于二維體系,而對于三維體系也只有無盡的猜測。修發賢團隊發現了由三維“外爾軌道”形成的新型三維量子霍爾效應的直接證據,邁出了量子霍爾效應從二維到三維的關鍵一步。

此次,中國科技大學的合作研究團隊緊隨其后,進一步證實了三維量子霍爾效應并驗證了顯著的拓撲絕緣體現象。

霍爾效應由美國物理學家E.霍爾于1879年在實驗中發現,以其人名命名并流傳于世。其核心理論就是,帶電粒子(例如電子)在磁場中運動時會受到洛倫茲力的作用發生偏轉,那么在磁場中的電流也有可能發生偏轉。當電流垂直于外磁場通過半導體時,載流子發生偏轉,在導體兩端堆積電荷從而在導體內部產生電場,其方向垂直于電流和磁場的方向。當電場力和洛倫茲力相平衡時,載流子不再偏轉。而此時半導體的兩端會形成電勢差,這一現象就是霍爾效應,這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。

總的來說,霍爾效應其實是電信號與磁信號的橋梁,任何電信號轉換為磁信號的地方都可以有霍爾傳感器。

這個看似高深的概念,其實和我們的生活很近:比如我們將霍爾元件放在汽車中,可以測量發動機的轉速,車輪的轉速及方向位移;再比如,將霍爾元件放在電動自行車中,可以做成控制電動車行進速度的轉把。

量子霍爾效應停留在二維空間

在霍爾效應發現100年后的1980年,德國青年教師克勞斯·馮·克利青通過理論分析和實驗發現了整數量子霍爾效應,將霍爾效應帶到了量子的領域。

馮·克利青發現,量子霍爾效應一般都是在超低溫和強磁場等極端條件下出現。在極端條件下,電子的偏轉不再像普通霍爾效應中一樣,而是變得更加劇烈并且偏轉半徑變得很小,仿佛就在導體內部圍繞著某點轉圈圈。也就是說,導體中間的部分電子被“鎖住了”,要想導通電流只能走導體的邊緣。因為這些發現,他在1985年獲得諾貝爾物理學獎。

雖然量子霍爾效應是諾貝爾獎的常客,但相關研究僅限于二維量子系統中。畢竟我們生活在三維空間中,如果延伸到三維系統中,量子霍爾效應會有怎樣的不同?

另辟蹊徑驗證三維量子霍爾效應

之前實現三維量子霍爾效應的思路,主要將二維量子系統進行堆疊。但這樣得到的只是準二維量子霍爾效應,并沒有觀測到明顯的量子霍爾電阻以及電子在空間的震蕩。

我國科學家另辟蹊徑,選擇了不一樣的材料。修發賢課題組選擇的是砷化鎘楔形納米結構,中國科技大學團隊選擇的是碲化鋯三維晶體。這些被認為是拓撲絕緣體的三維納米結構,已有科學家在其中觀測到與二維量子霍爾效應類似的現象,即其一個方向的電阻呈現臺階式變化,另一個方向的電阻呈現震蕩。而我們分別在世界上首次實現對三維量子霍爾效應的觀測和驗證。

在這次研究中,中國科技大學團隊還將材料的導電特性進行了“大掃描”,得出了金屬-絕緣體的轉換規律:人們能夠通過控制溫度和外加磁場實現金屬-絕緣體的轉化。這種原理可以用來制造“量子磁控開關”等電子元器件。三維量子霍爾效應材料中的電子遷移率都很快,電子能快速傳輸和響應,在紅外探測、電子自旋器件等方面擁有應用前景。再次,三維量子霍爾效應因具有量子化的導電特性,還能應用于特殊的載流子傳輸系統。

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