《自然》:中国科大首次观测到三维量子霍尔效
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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

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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”)。

今天凌晨,复旦大学物理学系修发贤课题组关于三维量子霍尔效应的突破性原创成果在线发表于《自然》(Nature)。20世纪以来,已有四个诺贝尔奖与量子霍尔效应直接相关。而此前这一领域的研究仍停留于二维体系。在本次成果中,修发贤教授课题组在拓扑狄拉克半金属砷化镉材料里观测到三维量子霍尔效应,通过实验证明电子的隧穿过程,迈出从二维到三维的关键一步,开拓了全新的研究维度。

■本报记者 黄辛 通讯员 龚凡

量子霍尔领域再现重大突破。

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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“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。”

北京时间12月18日0时,《自然》在线发表了复旦大学物理学系修发贤课题组的最新研究成果,他们发现了基于外尔轨道的三维量子霍尔效应。

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)

据修发贤介绍,该效应与传统的二维量子霍尔不同,存在特殊的电子轨道,称为外尔轨道,电子可以从上表面穿越到下表面,然后再回到上表面。打个比方,一个房间有天花板和地面,形成三维空间,电子可以从天花板穿越房间到达地面,然后从地面再回到天花板。

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。

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一,1985年和1998年的诺贝尔物理学奖便出自该领域。

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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。

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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。

不过,自霍尔效应发现的一百多年来,科学家们对它的研究都停留于二维体系,从未涉足三维领域。修发贤课题组的研究则推动这一基础学科领域,又向前进了一大步。

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。

修发贤团队

12月18日,相关研究成果在线发表于《自然》。

在三维空间观测量子霍尔效应

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。

今年,修发贤课题组快于日本和美国的科学家们,率先发现了量子霍尔效应。事实上,去年11月,课题组已在《自然·通讯》上率先发布了相关成果,一两个月后日本和美国也观测到了类似的结果。但彼时限于实验条件,实际的电子运动机制并不明确。

给电子“定规矩”

霍尔效应是美国物理学家霍尔在做研究生期间发现的。当导体、半导体通有电流时,在垂直于电流方向加上磁场,电子的运动轨迹将发生偏转,在导体的纵向方向产生电压。

在本研究中,研究人员发现电子-电子相互作用引起的载流子密度波是三维量子霍尔效应产生的关键因素。在这样一个系统中,电子可以在不同的能带间自由移动,就像船只在浩瀚的海洋中航行一样。

修发贤表示,其难点在于材料的制备和器件的测量。首先对材料的要求非常高,必须能够精确的控制厚度,以及具备高迁移率。第二个难点在于测量必须在极端条件下进行,即零下270多度低温和三十多特斯拉强磁场(地磁场的百万倍)。

三维量子霍尔效应真的存在吗

量子霍尔效应是量子力学版本的霍尔效应。但在以往的实验中,量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。

国家科学院院士文晓刚表示:“这一发现为我们提供了一个具有潜在拓扑秩序的新物质体系。”

后来,课题组创新性地利用楔形样品实现可控的厚度变化,即把电子运动的“房子”放歪,“屋顶被倾斜了,房子内部上下表面的距离就会发生变化”,修发贤介绍。通过实验发现,电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响。这说明随着样品厚度的变化,电子的运动时间也在变。所以,电子在做与样品厚度相关的纵向运动,其隧穿行为被证明了。

早在130多年前,美国物理学家霍尔就发现,对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场,电子的运动轨迹将发生偏转,在导体的纵向方向产生电压,这个电磁现象就是“霍尔效应”。如果将电子限制在二维平面内,在强大的磁场作用下,电子的运动可以在导体边缘做一维运动,变得“讲规则”“守秩序”。

“比如说这间屋子,除了上表面、下表面,中间还存在一个空间。”修发贤形容,这就像在“天花板”或者“地面”上,电子可以沿着“边界线”有条不紊地做着规则运动。

自1980年量子霍尔效应被发现以来,有关2Df材料的研究受到了极大的关注,导致了霍尔效应家族的出现。成功地观测三维量子霍尔效应就像发现了一块拼图。乔教授相信,将会有更多的学者加入到对新颖的三维量子态和相变的探索中来,从而为霍尔效应家族的发展带来新的见解。

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但以往的实验证明,量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。“比如说这间屋子,除了上表面、下表面,中间还存在一个空间。”修发贤用手上下比划着。人们知道,在“天花板”或者“地面”上,电子可以沿着“边界线”有条不紊地做着规则运动,一列朝前,一列向后,像是两列在各自轨道上疾驰的列车。那么,在立体空间中呢?

但在三维空间中呢?

140年前,发现霍尔效应的埃德温•霍尔(Edwin Hall)无法回答经典霍尔效应的作用。但看看今天——经典的霍尔效应已经融入了我们的日常生活。广泛应用于汽车、家电、手机等行业。那么三维量子霍尔效应在未来能做什么呢?让我们拭目以待。

2英寸单晶薄膜

三维体系中存在量子霍尔效应吗?如果有,电子的运动机制是什么?

此前,2016年10月,修发贤和团队第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到了量子霍尔效应。

该成果证明,拓扑狄拉克半金属砷化镉材料电子的传输和响应很快,迁移率达到10万,而目前使用的半导体材料一般只有几百迁移率。目前,该研究已能将砷化镉制备成2英寸单晶薄膜。未来或可用于低能耗电子器件,在红外探测、电子自旋方面做一些原型器件。

观测到量子霍尔效应

该研究成果发表在《自然 通讯》后,日本和美国也有科学家借鉴相关经验,在同样的体系中观测到了这一效应。遗憾的是,实际的电子运动机制当时无法明确。

但电子运动机制并不明确

修发贤课题组此次作出的突破性成就,便是在拓扑半金属砷化镉纳米片中,首次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。

6年前,修发贤加入复旦大学物理学系。2014年,在拓扑半金属领域,他选择了材料体系非常好的砷化镉“试着研究一下”,谁料“一发不可收拾”。从大块的体材料,到大片的薄膜,再到纳米类结构和纳米单晶,他带着学生们孜孜不倦地深耕于此,乐此不疲。

“电子在上表面走一段四分之一圈,穿越到下表面,完成另外一个四分之一圈后,再穿越回上表面,形成半个闭环,这个隧穿行为也是无耗散的,所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。”修发贤告诉澎湃新闻记者。

“我们在砷化镉纳米片中看到这一现象时非常震惊,三维体系里边怎么会出现量子霍尔效应?”2016年10月,修发贤及其团队第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到量子霍尔效应时,就像目睹汽车飞到空中那样又惊又喜。

比喻性地说,课题组在特定的材料和条件下,观测到了电子可以从“天花板”穿越“房间”到达“地面”,然后从“地面”再回到“天花板”。

很快,他们的这一发现发表在了《自然—通讯》上。随后,在样品制备过程中借鉴修发贤团队前期已发表的经验,日本和美国也有科学家在同样的体系中观测到了这一效应。但遗憾的是,基于当时的实验结果,实际的电子运动机制并不明确。

北京时间12月18日0时,这篇题为《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》的论文在线发表于《自然》。修发贤为通讯作者,复旦大学物理学系博士生张成,复旦校友、康奈尔大学博士后张亿和复旦大学物理学系博士生袁翔为共同第一作者。

课题组提出了他们的猜想:一种可能的方式是从上表面到下表面的体态穿越,电子做了垂直运动;另一种可能是电子在上下两个表面,即在两个二维体系中,分别独立形成了量子霍尔效应。

难点在于材料制备和器件测量

研究人员决定“打破砂锅问到底”。但是,面对千分之一根头发丝粗细的实验材料和快如闪电的电子运动速度,这实验该怎么做?

这次课题的难点在于材料的制备和器件的测量。

把“房子”放歪

修发贤介绍,该研究对材料的要求非常高,必须能够精确地控制厚度,必须有很高的迁移率。课题组从2014年开始生长这个材料,经过差不多5年的摸索,可以达到厚度的可控性,迁移率达到10万平方厘米/。

发现来源于外尔轨道的运动机制

实验中,修发贤团队还创新性地利用楔形样品,实现可控的厚度变化,就好像一个“横倒的梯形”,“屋顶被倾斜了,房子内部上下表面的距离就会发生变化。”

“我们把‘房子’放歪了!”实验材料虽小,灵感却可以从日常生活而来。修发贤课题组想了一个办法,他们创新性地利用楔形样品实现可控的厚度变化。“屋顶被倾斜了,房子内部上下表面的距离就会发生变化。”修发贤比划出一个“横倒的梯形”。

团队通过测量量子霍尔平台出现的磁场,可以用公式推算出量子霍尔台阶。实验发现,电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响。这说明,随着样品厚度的变化,电子的运动时间也在变。

通过测量量子霍尔平台出现的磁场,可以用公式推算出量子霍尔台阶。实验发现,电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响。这说明,随着样品厚度的变化,电子的运动时间也在变。所以,电子在做与样品厚度相关的纵向运动,其隧穿行为被证明了。

就此,电子在做与样品厚度相关的纵向运动,其隧穿行为被证明了。

“电子在上表面走四分之一圈,穿越到下表面,完成另外一个四分之一圈后,再穿越回上表面,形成半个闭环,这个隧穿行为是无耗散的,所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。”修发贤说,整个轨道就是三维的“外尔轨道”,是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源。

另一个难点在于测量必须在极端条件下进行。修发贤介绍,实验温度需在几十毫K ,也就是零下270多度,强磁场达三十多特斯拉,达到地磁场的百万倍。

至此,三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开了。

修发贤表示,这次研究体现材料确实具有高迁移率,电子的传输和响应很快,未来可以在红外探测、电子自旋方面做一些原型器件。

对于这次成果的诞生,修发贤觉得,在砷化镉的研究方面,这才刚刚开始。

另外,量子霍尔效应的研究,对于低能耗的电子器件研制也有重要意义。

“这是一个作品,我们第一次提出了新的机制,也得到了认可。但还有可以深挖的,还有更具体的东西,我想得继续做细做好。”他表示。

修发贤解释,就像汽车在农贸市场和高速公路行进的不同,如果电子也能按照一定的规则有序运动,那么在传输过程中,能量损耗会大大减少。

相关论文信息:DOI: 10.1038/s41586-018-0798-3

“发现新的物理现象,对推动物理学基础理论发展,具有极大的推动作用。”复旦大学物理学系党委书记蒋最敏告诉澎湃新闻记者。

《中国科学报》 (2018-12-18 第1版 要闻)

修发贤表示,基础研究领域许多成就,往往不是规划来的,此次研究便属于自由探索型的基础研究,发现了一个新的现象。

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