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2022年07月18日
中国科大在陈数可调量子反常霍尔效应方面取得新进展

近日,我校合肥微尺度物质科学国家研究中心国际量子功能材料设计中心与物理系乔振华教授研究组基于单层过渡金属氧化物发现了理论上陈数可调的量子反常霍尔效应。该成果于2022年7月14日发表在物理类国际著名学术期刊《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett.129,036801 (2022)],并被选为当期封面。论文第一作者为2022届博士毕业生李泽宇。

量子霍尔效应是一种在外加强磁场下由于朗道能级量子化导致的无耗散的量子输运特性。然而,外加强磁场这一需求极大地限制了该效应的实际应用前景。近几十年来,探索无磁场的量子霍尔效应(即量子反常霍尔效应)吸引了众多物理学家的关注,并在理论和实验上都取得了很大进展。目前,已经提出或实现的量子反常霍尔效应集中在陈数为1(基于磁性拓扑绝缘体薄膜等)或者2(基于单层石墨烯等)的小陈数体系,而陈数的大小直接对应量子通道的多少,低陈数的现状也显著影响了量子反常霍尔器件的工作效率。在探索大陈数或者陈数可调量子反常霍尔效应方面,研究人员主要是通过控制磁性拓扑绝缘体薄膜厚度或者磁性掺杂浓度的手段来实现不同陈数的量子反常霍尔效应。需要指出的是,在所有这些体系中,一旦样品或者器件制备好,相应的量子反常霍尔效应的陈数大小也被唯一确定。

图:单层PdSbO3贝里曲率分布和能谱。(a-b)磁化方向沿x轴;(c-d)磁化方向沿z轴。

(现在的图例完全与QAHE及陈数无关)

在本工作中,该研究组经过系统研究,发现在单层过渡金属氧化物材料NiAsO3和PdSbO3上通过外加一个弱磁场调控材料的磁化方向便可实现不同陈数的量子反常霍尔效应。研究发现,在费米能级处,这两种材料都具有六个自旋极化的狄拉克点。在引入自旋-轨道耦合作用之后,每个狄拉克点贡献半个量子化的霍尔电导,但方向各异。当磁化方向处于面内且破坏垂直镜面对称性时,其中四个狄拉克点拥有相同的贝里曲率,而剩下两个狄拉克点处贝里曲率相反;此时,体系具有陈数为1的量子反常霍尔效应。而当磁化方向偏离体系平面时,六个狄拉克点贡献同向的贝里曲率。此时,体系具有陈数为3的量子反常霍尔效应。该项研究不仅提供了一种新型的研究量子反常霍尔效应的材料平台,更重要的是揭示了存在陈数可调的量子反常霍尔效应及其物理成因。

该工作得到了国家自然科学基金委、安徽省、校科研部和校人力资源部的资助。

论文链接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.036801


(合肥微尺度物质科学国家研究中心国际量子功能材料设计中心、物理学院、科研部)

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