【中国青年报客户端】我国科学家首次实验验证三维量子霍尔效应 2019-05-15

中青在线合肥5月14日电( 范琼 中国青年报·中青在线记者 王磊 王海涵)记者今天从中国科学技术大学获悉,该校乔振华课题组与南方科技大学张立源课题组等合作,首次在毫米级的碲化锆材料上观测到三维量子霍尔效应,研究成果于5月9日发表在国际权威期刊《自然》上。

1879年发现的霍尔效应基础理论对半导体行业意义深远,是二极管被发明出来的重要前提。1980年,德国科学家冯·克利青首次在二维体系里发现了量子霍尔效应,改变了传统学界对物态和相变的理解,并把拓扑的概念引入到物理学研究里,量子霍尔效应也成了学术界的宠儿。

1987年,哈佛大学伯特兰•霍尔珀林教授从理论上预言了三维体系存在量子霍尔效应,并给出了它的测量特征。国际学界将这种现象称为“三维量子霍尔效应”。然而要观测到三维量子霍尔效应,必须把电子态调控到量子极限区域,这对测量磁场条件或材料体系的要求异常苛刻,几十年来,科学界一直未有确凿的观测证据。

在绝缘堆叠的二维拓扑材料中,电子在每层的边界上如同小舟在水中,畅快前行;但是边界与边界之间,能隙的存在如磐石河岸,阻碍了电子在不同层之间的贯通。很多研究实现了让“小舟”可以在不同的“河流”中“快闪”,但是“河流”之间还是处于相互隔绝状态,只能算是二维量子效应的增强版,或者三维量子效应的预备版本。(美术设计:崔劼)

该项研究发现由于电子相互作用导致的电荷密度波,使得电子小舟可以徜徉在宽广的能带大河之中,真正实现了三维量子霍尔效应。(美术设计:崔劼)

在碲化锆体系中观测到三维量子霍尔效应。(图片设计:王国燕、何聪)

据介绍,碲化锆是一种三维层状结构的新型材料,具有特殊的热电性质和反常的电阻对温度的依赖关系,在上世纪被广泛关注。近年来,全世界多个实验室各自制备该材料,并通过多种不同的手段进行探测,希望确定其物理特性。

2014年起,南方科技大学张立源团队开始尝试实验研究该体系,希望在拓扑性质研究上有所斩获,却意外发现碲化锆也是研究三维体系的理想材料。2017年初,从事相同方向理论研究的中国科学技术大学乔振华团队与张立源团队开始密切合作,测试分析了难以计数的来自国内外著名研究机构的样品,终于在该三维宏观材料上观测到量子霍尔效应。

据悉,此次在毫米级的宏观尺度上实现三维量子霍尔效应,补全了霍尔效应家族一个重要拼图。乔振华教授认为:“丰富多彩的三维体系,将吸引众多学者加入到新型的三维量子物态以及相变领域的研究之中,并为霍尔效应家族的发展提供一个全新的领域和视角。”



中国青年报客户端 2019-05-14

https://shareapp.cyol.com/cmsfile/News/201905/14/share218928.html?t=1557838335&from=singlemessage


     
中国科大新闻网
中国科大官方微博
中国科大官方微信

Copyright 2007 - 2008 All Rights Reserved 中国科学技术大学 版权所有 Email:news@ustc.edu.cn

主办:中国科学技术大学 承办:新闻中心 技术支持:网络信息中心

地址:安徽省合肥市金寨路96号 邮编:230026