中国科大在高温量子反常霍尔效应的理论研究上取得重要突破 2016-08-01
   合肥微尺度物质科学国家实验室国际功能材料量子设计中心访问学者齐世飞教授和中心成员及物理学院乔振华教授与国内外同行合作,提出一种基于电荷补偿型n-p共掺方案在铁磁性拓扑绝缘体中实现高温量子反常霍尔效应的新思路。该成果于7月27日以“High-Temperature Quantum Anomalous Hall Effect in n-p Codoped Topological Insulators”为题发表在国际权威物理学杂志Phys. Rev. Lett.《物理评论快报》上。

  

量子反常霍尔效应是在零外磁场条件下产生的量子霍尔效应。近三年来,国内外的多个实验组在磁性掺杂拓扑绝缘体中(比如将Cr/V掺入Sb2Te3)已经观测到该效应,但都要求极低的实验实现温度(~30mK),这大大限制了该效应在新型电子器件上的潜在应用。主要瓶颈源于单一磁性元素掺杂导致的拓扑绝缘体带隙的大幅减小以及实验中不可避免的杂质非均匀性。受研究团队之前的系列相关工作启发(比如利用电荷非补偿的n-p共掺方案来引入杂质能带从而有效缩小TiO2的宽能隙,见Phys. Rev. Lett. 103, 226401(2009)),首次将电荷补偿型n-p共掺方案引入到铁磁性拓扑绝缘体中来实现高温量子反常霍尔效应(见图1)。研究发现,单一元素(如硬磁的p型钒原子)掺杂的Sb2Te3在引入共掺元素(如n型碘原子)后,拓扑绝缘体的本征窄小体能隙得到最大程度的保留。同时,共掺碘元素的引入提供了一系列附加优势,如均相掺杂更易实现、体系的自旋轨道耦合效应进一步增强、费米能级位置的精确调控以及低浓度磁掺即可实现强铁磁性等。对钒-碘共掺杂Sb2Te3的铁磁性质和拓扑性质的深入研究表明,该共掺杂体系可以实现超过50K的量子反常霍尔效应,高出现有的观察温度三个量级。

   本文提出的n-p共掺杂方案是一种普适的概念性突破,为实验实现高温量子反常霍尔效应提供了重要的参考方案。受该工作启发,该领域里已有实验组基于共掺的概念获得初步但醒目的突破。
 

  

  图1:n-p共掺杂示意图(如将钒(蓝色)/碘(红色)元素分别取代锑/碲元素)

  

上述研究得到了基金委、中科院、科技部的资助。中国科大超级计算中心对本工作的完成也给予了至关重要的支持。

  

  (合肥微尺度物质科学国家实验室国际功能材料量子设计中心、量子信息与量子科技前沿创新中心、科研部)


     
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