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三维量子霍尔效应被首次发现量子霍尔效应意义前景简介

时间:2018-12-19 09:31:19编辑:文二

三维量子霍尔效应被首次发现:三维量子霍尔效应的发现过程是怎样的?又有什么意义?量子霍尔效应意义、前景是怎样的?小编这就为你介绍:

三维量子霍尔效应被首次发现

12月18日消息,英国《自然》杂志将刊登了复旦大学修发贤课题组最新研究成果《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》,据介绍这是我国科学家首次在三维空间中发现量子霍尔效应。

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据介绍,美国物理学家霍尔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,这个电磁效应称为霍尔效应。

以往的实验证明,量子霍尔效应在二维或准二维中发生,而修发贤课题组在拓扑半金属砷化铬纳米片中观测到了新型三维量子霍尔效应的直接证据。在三维体系中,材料上表面边缘的电子受到强磁场作用会直接从内部隧穿到下表面,然后继续沿着回旋轨道运动。

对此众多网友评论称,“不明觉厉,厉害了我的国”,也有网友坦言“虽然全都是汉语,但是连在一起就听不懂了”。

一、三维量子霍尔效应的发现过程

“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的时候,就像目睹汽车飞到空中那样又惊又喜。

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了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。

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。

课题组决定,打破砂锅问到底。但面对千分之一根头发丝大小的实验材料,快如闪电的电子运动速度,这实验该怎么做?起初,他们也不知该如何下手。

“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”。

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。

“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。

至此,三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开了。

六年前,修发贤回国,加盟复旦大学物理学系。2014年,在拓扑半金属领域,修发贤选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,修发贤带着学生们“孜孜不倦”深耕于此,乐此不疲。

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。“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。”

修发贤也是一位带了九位博士生的教师。正值周三,他晚上要跟学生们开一个小组会,交流他们在研究中的收获和困难,也会聊几句家常。他希望自己的工作不仅能做出好的科研作品,还能通过研究培养人,把学生培养成能未来独当一面的科学家。

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由“小苗”长成“大树”谈何容易,科研进阶之路一点都不轻松。

项目做了三年,论文的第一作者张成在实验室也泡了三年。三天能做出六个样品,如果其中能有一个质量不错,也算幸运的了,而项目需要起码几十个能测得量子化现象的样品,这样一来,实际需要制作的样品不计其数,在样品制备方面花费的时间和精力可想而知。

样品难做,后续的保存和测量更为棘手。为了保证量子霍尔效应的出现,材料得维持极高的电子迁移率,容不得一点杂质的“混入”。但这又谈何容易?前期测量之后,合适的样品要被带往世界各地的强磁场中心,进行更高磁场下的电学测试。长途差旅,奔波劳顿,还得时刻小心,防止样品被氧化。

强磁场中心的实验条件好,但可用的实验时间可能只有短短一周。时差还没倒过来,几天连轴转的工作就得马上开始。做实验不是机械重复的手工,最新测量的数据出来后,实验策略和方法要及时调整、反复思考,才能在后续的测量中获得理想的实验结果。为了提高效率,张成和袁翔总是带上睡袋,实验间隙直接就在隔壁办公室就地休息。

吃了很多苦头,但大家都觉得值。“我也有过纠结,但多年来还是一直坚持做基础性、原创性的工作。”修发贤说,基础性和原创性让他和团队都感到兴奋。“三维量子霍尔效应,从此打上了复旦的烙印!”

二、三维量子霍尔效应的意义

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。修发贤课题组的发现为未来三维空间量子化传输提供了新的思路和实验基础,在拓扑量子计算及低功耗电子器件方面有潜在应用价值。

复旦大学物理学系教授修发贤:就是我们可以在自旋、光电探测方面可以做一些原型器件,比如说在一些红外探测,一些遥感这样的领域里边发挥它的作用。

量子霍尔效应简介

量子霍尔效应(quantum Hall effect)是量子力学版本的霍尔效应,需要在低温强磁场的极端条件下才可以被观察到,此时霍尔电阻与磁场不再呈现线性关系,而出现量子化平台。霍尔效应在1879年被E.H.霍尔发现,它定义了磁场和感应电压之间的关系。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,磁场会对导体中的电子产生一个横向的作用力,从而在导体的两端产生电压差。

一、量子霍尔效应的意义

整数量子霍尔效应:量子化电导被观测到,为弹道输运(ballistic transport)这一重要概念提供了实验支持。

分数量子霍尔效应:劳夫林与J·K·珍解释了它的起源。两人的工作揭示了涡旋(vortex)和准粒子(quasi-particle)在凝聚态物理学中的重要性。

二、量子霍尔效应研究前景

整数量子霍尔效应的机制已经基本清楚,而仍有一些科学家,如冯·克利青和纽约州立大学石溪分校的V·J·Goldman,还在做一些分数量子效应的研究。一些理论学家指出分数量子霍尔效应中的某些平台可以构成非阿贝尔态(Non-Abelian States),这可以成为搭建拓扑量子计算机的基础。

石墨烯中的量子霍尔效应与一般的量子霍尔行为大不相同,为量子反常霍尔效应(Quantum Anomalous Hall Effect)。

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此外,Hirsh、张首晟等提出自旋量子霍尔效应的概念,与之相关的实验正在吸引越来越多的关注。

2010年,中科院物理所的方忠、戴希理论团队与拓扑绝缘体理论的开创者之一、斯坦福大学的张首晟等合作,提出了实现量子反常霍尔效应的最佳体系。 2013年,中国科学院薛其坤院士领衔的合作团队又发现,在一定的外加栅极电压范围内,此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~ 25800欧姆。2013年3月15日,这个成果在线发表在《科学》杂志上。

这一发现可被用于发展新一代低能耗晶体管和电子学器件,进而推动信息技术的进步。

2018年12月18日,我国科学家首次在三维空间中发现量子霍尔效应。

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