薛其坤的清华大学反常霍尔效应量子效应和其它外国科学家研究的清华大学反常霍尔效应量子效应有何不同?

日本筑波大学的研究人员制造出了一种可以证明量子反常霍尔效应(QAHE)的新设备,其中微小的离散电压阶跃由外部磁场产生。他们表示,这项工作可能使极低功率的电子设备以及未来的量子计算机成为可能。论文[1]已经发表在《物理化学快报》上。

在这项研究中,他们利用极化中子反射研究了拓扑晶体绝缘体(TCI) SnTe和Fe组成的异质结构界面的磁近邻效应(MPE)。铁磁有序从与Fe的界面深入SnTe层约2.2 nm,并持续到室温。这是由TCI表面上的MPE引起的,该MPE保持相干拓扑状态,而不通过掺杂磁性杂质引入无序。这将为实现下一代自旋电子学和量子计算设备开辟一条道路。

将磁序引入拓扑绝缘体(TI)系统

如果你拿一根通有电流的普通电线,通过施加外部磁场,你可以产生一个垂直于电流方向的新电压。这种所谓的霍尔效应已被用作简单磁传感器的一部分,但灵敏度可能较低。

有一个相应的量子版本,称为量子反常霍尔效应,以定义的增量或量子出现。这提高了利用量子反常霍尔效应来构建新的高导电性电线甚至量子计算机的可能性。

现在,由日本筑波大学材料科学研究所领导的一个研究团队使用了上述的一种拓扑绝缘体(TI)材料,其中电流在界面上流动,但不通过主体,以诱导量子反常霍尔效应。

通过使用铁磁材料——铁(Fe)作为器件的顶层,磁近邻效应可以产生磁有序,而不会引入由掺杂磁性杂质的替代方法引起的无序。筑波大学Kuroda Shinji教授说[2]:“量子反常霍尔效应产生的电流可以沿着层的界面传播而不会耗散,这可能会被用于新型节能设备。”

为了制造该器件,使用分子束外延在模板上生长由碲化锡(SnTe)顶部的铁层组成的单晶异质结构的薄膜。研究人员使用中子测量了表面的磁化强度,中子具有磁矩,但没有电荷。他们发现铁磁秩序从与铁的界面渗透到碲化锡层中约两纳米,甚至在室温下也可以存在。

磁化强度和穿过SnTe层深度的函数关系

Kuroda教授说:“我们的研究为实现下一代自旋电子学和量子计算设备指明了方向。”这些应用可能需要表现出量子反常霍尔效应的层,这项研究表明这是可能的,并且可以很容易地产生。

量子反常霍尔效应是一个困扰了物理学界130多年的问题。

今天的我们已经知道,在普通导体中,电子的运动轨迹杂乱无章,不断发生碰撞,从而产生电阻发热等效果。这时候如果在垂直的方向加上外磁场,材料里的电子由于磁场的作用力会跑到导体的一边形成积累电荷,最终会达到平衡形成稳定的霍尔电压,这就是霍尔效应。

这一现象是美国物理学家霍尔(E.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机制时发现的:在室温下,电流垂直于外磁场通过导体时会发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在导体的两端产生电势差。

值得一提的是,发现霍尔效应时,霍尔只是一名研究生,而且电子尚未被发现(1897年由汤姆逊发现)。

在霍尔效应发现百年后,20世纪70年代末,科学家在极低温度和强磁场下,研究半导体的霍尔效应,发现了量子霍尔效应。当外磁场足够强,温度足够低,电子的运动可以变得高度有序,电子会在边界处沿着两个边界高速运动。

量子霍尔效应于1980年由德国物理学家冯·克利青等人发现,因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。2005年,英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,在常温下观察到量子霍尔效应。他们于2010年获诺奖。

1982年,美籍华裔物理学家崔琦和美国物理学家劳克林、施特默在更强磁场下发现了分数量子霍尔效应,这个发现使人们对量子现象的认识更进一步,他们也因此获得了1998年的诺贝尔物理学奖。

分数量子霍尔效应对于拓扑量子计算的实现至关重要,目前科学家已经发现填充因子v=5/2的分数量子霍尔态里面的复合费米子(一种准粒子)同时不遵循费米统计和玻色统计,可能是非阿贝尔任意子(用于实现拓扑量子计算)。

有霍尔效应,也有反常霍尔效应。1880年,霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现,即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应,这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。

量子霍尔效应发现后,物理学家进而提出:反常霍尔效应是否能像霍尔效应那样,有对应的量子化版本,这又成为人们新的探索目标。为了实现量子反常霍尔效应,自1988年开始就不断有理论物理学家提出各种方案,然而在实验上没有取得任何重要进展。

薛其坤团队从一开始就在一个没有赛道的竞技场上发力。2009年,薛其坤院士了解国际上有理论预言可以在磁性拓扑绝缘体中寻找量子反常霍尔效应,于是他邀请了清华大学物理系王亚愚教授、何珂教授加入研究团队。

2006年,美籍华裔物理学家张首晟最先提出拓扑绝缘体概念,其内部是绝缘体,表面是能导电的金属。在此基础上,张首晟成功预言量子自旋霍尔效应(由两组自旋方向相反,运行方向也相反的边缘态组成,并且不需要外加磁场)。

2007年,德国伍尔兹堡大学的研究组在Hg Te/CdTe量子阱结构中,成功地观测到这种特殊边缘态的量子效应,从而在实验上证实了张首晟的预言。

至此,霍尔效应大家庭还剩下一个成员尚未发现。2010年,我国理论物理学家方忠、戴希与张首晟教授等共同提出,磁性掺杂的三维拓扑绝缘体可能是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。这时,薛其坤团队已经开始在实验上寻找量子反常霍尔效应。

量子反常霍尔效应意味着,在零磁场中,霍尔电阻跳变到约25800 Ω的量子电阻值。要实现这一不可思议的量子现象,需要实验样品必须同时满足4项非常苛刻的条件:

必须是二维系统(薄膜),从而具有导电的一维边缘态;需要处在绝缘相,从而对导电没有任何贡献;需要存在铁磁序,从而存在反常霍尔效应;需要非平凡的拓扑性质,从而使电子能带是反转的。

这就如同要求一个人,同时具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度、举重运动员的力量和体操运动员的灵巧。

历经四年努力,薛其坤带领由中科院物理所和清华大学组成的实验团队,用了5套世界最高水平的精密试验仪器,生长和测量了1000多个样品,终于利用分子束外延的方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,然后将其制备成输运器件,并在极低温环境下成功观测到了量子反常霍尔效应。

薛其坤记得很清楚,2012年10月12日晚上10点30分左右,那天他回家早了一点,刚回到家中,就收到了学生发来的短信,“量子反常霍尔效应的初步迹象已经被发现了,等待详细测量。”

薛其坤团队发现,在一定的外加栅极电压范围内,Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜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,世界难题得以攻克。

薛其坤抑制不住内心的激动。在科学发现上,没有第二,只有第一,他坦言,“当发现一个科研成果时,你会很兴奋的,毕竟做了这么多年的努力,这是专利!如果第二个做出来就会大打折扣。”

美国《科学》杂志于2013年3月14日在线发表这一研究成果,引起学界巨大反响,杨振宁称赞其是诺贝尔奖级的成绩。但薛其坤院士强调说:“这是我们团队精诚合作、联合攻关的共同成果,是中国科学家的集体荣誉。”

量子反常霍尔效应研究团队

从理论上讲,薛其坤团队发现量子反常霍尔效应攻克了130多年的世界难题,《科学》杂志审稿人评价“这是凝聚态物理界一项里程碑式的工作”。

而从现实应用上讲,人类发明的所有电子器件都无法避免能量损耗,这是由电子的无序运动造成的。量子霍尔效应可以解决这个问题,但它的产生需要施加强磁场,相当于外加10个计算机大的磁铁,因此,造价昂贵、体积庞大等因素限制了其走向实际应用。

而量子反常霍尔效应的美妙之处是电子在不施加强磁场的情况下,按照固定轨迹运动,减少无规则碰撞导致的发热和能量损耗,能够用于发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件。

采用这种技术设计集成电路和元器件,千亿次的超级计算机有望做成平板电脑那么大,智能手机的内存可能会提高上千倍。

正因为量子反常霍尔效应的发现意义非凡,薛其坤获得了2018年度国家自然科学奖项中的唯一的一等奖。迄今为止,获得国家自然科学一等奖的科学家不足40人。2020年,他荣获国际公认的低温物理领域最高奖项——菲列兹·伦敦奖。

关于【量子反常霍尔效应】:量子霍尔效应(一文读懂神奇的量子反常霍尔效应),今天涌涌小编给您分享一下,如果对您有所帮助别忘了关注本站哦。

1、量子霍尔效应(一文读懂神奇的量子反常霍尔效应)

量子效应(阅读神奇的量子反常霍尔效应)

监制:计算机网络信息中心

2018年国家科学技术奖励大会于2019年1月8日在北京举行。由中科院院士、清华大学副校长薛其坤教授领衔的清华大学和中科院物理所实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”项目,获得了今年国家自然科学奖唯一一等奖。

这项发表于2013年的研究工作,被称为诞生于中国本土实验室的诺贝尔奖级重大成果。5年后,它获得了代表中国自然科学研究最高成就的国家自然科学奖一等奖。实至名归。那么,量子反常霍尔效应是一种什么样的物理现象呢?为什么它的发现能引起如此巨大的反响?真的可以用来建造下一代电子计算机吗?

本文将从经典电磁学中的霍尔效应入手,逐步带领读者看到固体物理研究的前沿。

霍尔效应——老树开新花

不难看出,“量子反常霍尔效应”这个名字的中心词是“霍尔效应”。无论多么量子,多么反常,本质上都是一种认祖归宗后的“霍尔效应”。这个电磁学领域的经典效应是140年前发现的,现在已经成为高中物理教材的重要内容。让我们简单回顾一下,唤醒读者沉睡已久的记忆。

霍尔效应(Hall effect)是指如果将条形导体置于与其表面垂直的磁场中,有电流沿其长度方向流动,导体中的电荷在洛伦兹力的作用下会偏向导体的长边,然后在导体的宽度方向产生(霍尔)电压的现象。下图清楚地显示了霍尔效应的原理。

起初,自由电子在不带电的导体中不规则运动。

图1:电子在未通电的导体中不规则运动。来源:中国科普博览。

当一根供电导线两端相连形成回路时,电流流过导体,导体中的电子沿长度方向漂移。

图2:外接电源形成回路后的导体。来源:中国科普博览。

这时候加上磁场,电子受到洛伦兹力的偏转。偏转的结果是大量的电子会聚集在导体的一侧,这些聚集的电子会产生纵向电压。

图3,外磁场后导电回路中的电子运动,来源:中国科普博览。

最后,纵向电压对电子施加的电磁力会与磁场形成的洛伦兹磁力达到平衡,使得后面的电子能够顺利通过,不会跑偏。此时产生的内置电压称为霍尔电压。

图4。建立平衡后的导体电路。来源:中国科普博览。

自发现以来的140多年里,霍尔效应已广泛应用于电力电子领域,尤其是传感器领域。现代汽车中利用霍尔效应原理制成的霍尔元件包括汽车车速里程表、各种用电负载的电流检测和工作状态诊断、发动机转速和曲轴转角传感器、各种抗干扰开关等等。

建立霍尔平衡过程示意图

霍尔效应-欢迎来到量子世界!

霍尔效应的概念本身就很好理解。当它与量子论相结合,会擦出怎样的火花?

我们知道,当物理学研究对象本身的维度进入微观领域,与我们在宏观世界的日常经验完全不同的量子论将会支配各种物理规律。此时,一些物理量的连续变化会呈现出间歇性的变化,体现出量子特性。举个不严谨的例子,宏观世界的苹果有大有小,苹果的大小可以不断变化。但是微观世界的苹果大小并不是连续变化的,而是某个基本苹果大小的整数倍,并不存在其他大小的微观苹果。

在量子力学的世界里,很多物理量都是某个基本值的整数倍。

继续量子霍尔效应的话题,高中物理的知识告诉我们,在无限大的均匀平面磁场中,入射到垂直于磁感应线方向的初速度不为零的电子会做匀速圆周运动。在经典的霍尔效应导体中,虽然载流电子在磁场的作用下会发生偏转,但由于偏转半径较大,在完成圆周运动之前,会在导体的一侧积累。

那么,有什么条件可以使霍尔效应导体中的载流电子在导体内部循环运动呢?这样的条件真的存在!在足够低的温度和非常强的外磁场下,电子的偏转半径会显著减小,从而有可能在导体内部完成圆周运动。

图5:量子霍尔效应示意图,来源:中国科普博览。

此时,导体内部似乎有无数个高速旋转的“陀螺”。当外加磁场继续增大时,电子的回旋半径会进一步减小。当小到和电子本身相似的微观水平时,就会产生量子效应!量子霍尔效应发生时,导体内部的电子原地循环运动,而导体边缘的电子形成导电。

量子效应示意图,当外加磁场继续增大时,电子回旋半径继续减小。

我们用霍尔电压与通过电流的比值来定义霍尔电阻的物理量。当外加磁场较小时,霍尔电阻会随着外加磁场的增大而增大,两者呈线性关系。当施加的磁场继续增加到一定值时,霍尔电阻将保持不变。如果外加磁场进一步增大,霍尔电阻会突然跳到一个新的平台上,整体曲线呈阶梯状。这种不连续的变化趋势是量子效应的显著特征。

量子效应发生时的物理特征

神奇之处不止于此。如果我们同时关注霍尔导体的电阻,就会发现当霍尔电阻位于平台上时,导体的电阻就消失了!实际上,此时导体内部的宽阔区域没有电流流动,电流只在导体边缘流动。

量子反常霍尔效应——开启电子技术新时代

量子效应有许多神奇迷人的特性,但它的产生依赖于强外磁场的条件,因此缺乏实用性。试想一下,如果我们研制出一种具有量子霍尔效应的超导芯片,虽然它本身具有低发热、高速度等有益特性,但可能需要配备一个冰箱大小的强磁场发生器来维持其运行,这是我们无法接受的。

那么,有没有一种不依靠强磁场就能产生量子霍尔效应的材料呢?这种材料就是著名的拓扑绝缘体。自2007年问世以来,拓扑绝缘体引起了全世界石墨烯的关注。受其启发,薛教授及其团队将拓扑绝缘体与铁磁材料有机结合,实现了无需外加磁场即可在低温下观测到的量子霍尔效应。为了反映这种差异,这种新现象被称为量子反常霍尔效应。

图6:拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应,来源:中国科普博览。

量子效应为实现超高性能电子器件提供了一种可能的途径,可以大大降低电路发热,提高开关频率和运行速度。而我国科学家首次发现的反常量子霍尔效应,进一步摆脱了强磁场的束缚,具备了实现器件小型化的条件。如果能进一步解决相关技术障碍,提高可用温度,未来有望进一步拓展应用场景。

2、一分钟动图看懂量子反常霍尔效应(被杨振宁院士称为诺奖级成果)

1月8日,由清华大学薛其坤院士团队发现的量子反常霍尔效应,获得2018年度国家自然科学奖一等奖!该成果被杨振宁称为“诺贝尔奖级”的发现。

到底什么是量子反常霍尔效应?跟我们的生活又有什么关系呢?

日常生活中,手机电脑等发热,变慢现象,是因为常态下的电子运动杂乱无章、相互碰撞,能源损耗的同时带来的副作用有关。

量子霍尔效应可以对电子运动制定一个规则,让他们顺着轨道运动。就好比让一辆高级跑车

从拥挤的菜市场进入了规则的高速公路。

但要实现量子霍尔效应,需要一个庞大的外加磁场,费用昂贵且困难。

量子反常霍尔效应,就是在不需要外加磁场环境下,就可以实现量子霍尔态,使电子规规矩矩地排队通行。

量子反常霍尔效应在日常生活中最直观的应用,是可以解决手机电脑发热、运行慢等问题

它的发现,不仅是诺贝尔奖级成就,更是一场技术革命!

本文关键词:首次观测到三维量子霍尔效应,整数量子霍尔效应,量子霍尔效应诺贝尔奖,三位量子霍尔效应,反常量子霍尔效应。这就是关于《量子反常霍尔效应,量子霍尔效应(一分钟动图看懂量子反常霍尔效应)》的所有内容,希望对您能有所帮助!更多的知识请继续关注《犇涌向乾》百科知识网站:!

版权声明: 本站仅提供信息存储空间服务,旨在传递更多信息,不拥有所有权,不承担相关法律责任,不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请发送邮件至 举报,一经查实,本站将立刻删除。

磁性拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应

薛其坤,qkxue@ 文章历史 收稿日期:

摘要: 量子反常霍尔效应是一种不需要外磁场、具有手性边缘态的量子化霍尔效应,可以用于构建其他新奇量子态和发展未来低功耗电子学器件等.该全新的量子效应于2012年首先由中国科学家在五层Cr掺杂的(Bi, Sb)2Te3拓扑绝缘体薄膜中实现.在过去七年间,经过大家的努力,其观测温度从最初的30 mK已经提高到2

19世纪初量子力学的发展拉开了近代物理学的序幕.微观世界的运行遵循量子力学规律,很多现象无法用经典物理理论解释,比如测不准原理和原子核外电子稳定的分立能级等.量子力学的发展促进了科学技术的发展,带来了如今日新月异的信息时代.当今物理学研究最大的分支领域——凝聚态物理领域研究的一个主要课题就是如何实现微观量子规律的宏观化,这样的量子材料有望实现与传统材料不同的性质并构建新奇量子器件[1].

一个著名的例子就是超导体.超导体中电子形成库珀对,在超导转变温度(TC)以下凝聚到一个量子态,表现为零电阻和完全抗磁性.超导体具有巨大的应用潜力,但TC低是主要障碍.在过去的几十年时间里,科学家们付出了大量努力并取得巨大进步:发现多种超导材料与体系,部分材料的TC远大于77 K,已应用到实际生活中.但高温超导的机理仍不清楚,材料体系也较复杂,实现更高温度甚至室温超导的路线仍不明朗[2].

构造量子材料的另一个方法是利用电子的拓扑性质[3-4].20世纪80年代开始,人们在多个二维电子气体系中发现了整数量子霍尔(quantum Hall,QH)现象[5-7]:在外加强磁场作用下,二维电子气中产生Landau能级,体内绝缘,边缘产生一维手性边缘态,具有量子化的霍尔电阻(ρyx=h/ne2h是普朗克常数,e是基本电荷,n是非零整数)(图 1(c))和零纵向电阻(ρxx=0)[6-7].引入拓扑的概念后科学家们发现了一个新的量子数-陈(Chern)数,拓扑上不同于零Chern数的常规能带,它能够导致量子化的边缘态.一个很自然的问题是:零外加磁场情况下可否获得非零Chern数体系?1988年,美国Haldane教授[8]提出一个理论模型,可以在不需要外加强磁场的环境中获得QHE,即量子反常霍尔效应(quantum symmetry,TRS)保护的TI材料中引入磁性,比如磁性掺杂或者磁性近邻效应,将会观测到QAHE[11-15].2012年底,本文作者所在团队与合作者[16]一起在Cr掺杂的(Bi, Sb)2Te3薄膜中首次观察到了QAHE的实验现象,为拓扑量子材料和新奇量子效应的研究提供了新的思路.

与超导体相似,低温是QAHE获得应用的主要阻碍.在磁性掺杂TI薄膜中,获得量子化反常霍尔电阻和零纵向电阻需要小于100 mK的极低温[16-23],远低于一般超导材料的TC.但从物理原理角度看,QAHE更为简单、清晰,目前为止,能带理论计算与实验结果符合的较好.从材料制备角度看,很多传统材料具有拓扑性,多种材料制备方法可以制备出高质量拓扑材料.在过去的七年间,QAHE在多个材料体系中获得了实验观测,且观测温度从30 mK提升到近2 K.本文将主要总结磁性TI中的QAHE研究,特别在提高其观测温度方面的研究进展.包括四个部分:前两个部分分别介绍磁性掺杂和磁性近邻TI体系中的QAHE研究,第三部分介绍最新发现的内禀磁性TI体系,最后一部分对设计和构造高温QAHE系统的原理和路线图给出一些建议和展望.

TI)[9-10].理论预言,破坏TRS后可以实现多种新奇量子效应[13],比如QAHE.向3D TI中引入面外铁磁序,会在其表面态狄拉克点处打开能隙(图 2(a)),不同磁化方向的相邻磁畴间具有不同拓扑序,畴壁上产生手性边缘态(图 2(b)).向3D TI薄膜中引入面外铁磁序,如果上下表面磁化方向相同,由于拓扑序不同,在上下表面的边缘,即侧边会产生手性边缘态.如果薄膜足够薄,侧边态不导电,输运方法可以测量到量子化的霍尔电阻.如果上下表面磁化方向相反,由于拓扑序相同,不存在手性边缘态.材料在直流输运测量中表现为普通绝缘体(normal insulator,NI),但有理论预言其在交流输运测量中表现为轴子绝缘体(axion

epitaxy,MBE)设备制备多种高质量TI薄膜;通过磁性掺杂获得均匀的面外铁磁序[31];使用化学元素掺杂和背栅极电压调控,调节费米能级和载流子浓度,对磁性掺杂TI进行了系统的研究[32].在半导体领域通常使用稀磁掺杂的方式引入磁性[33-34],一般通过载流子的RKKY机制传导磁性,而QAHE的观测需要实现体绝缘.理论发现,Bloembergen-Rowland(BR)或者van Vleck机制[14, 35]可以用来传导绝缘体铁磁性,实验上观察到Cr掺杂的(Bi, Sb)2Te3中铁磁性与与载流子类型和浓度无关[31].

QL的薄膜中,零场下观测到量子化反常霍尔电阻(ρyx=h/e2)和明显下降的纵向电阻(图 3(b)).在几个特斯拉的外加磁场下,可以实现完美的量子化(ρyx=h/e2ρxx=0)[16](图 3(c)、(d)).由于Bi/Sb混合和Cr元素掺杂等引入无序,薄膜的迁移率小于100 cm2/Vs,但这种条件下获得完美的量子化平台正展现了材料的拓扑性.

理论上,QAHE的观测温度取决于磁能隙大小,即3D磁性TI表面态铁磁交换能隙的大小.在一般的磁性材料中,磁交换能隙与kBTCurie同数量级,kB是玻尔兹曼常数,TCurie是居里温度.但在Cr掺杂的(Bi, Sb)2Te3薄膜中,TCurie约为20 K,比QAHE的观测温度高2~3个数量级,引起了研究者的疑惑.后续研究发现,在Cr掺杂的(Bi, curve)表现为线性或者上凹(类似顺磁行为)[16, 31].顺磁类的M-T曲线表明材料的磁化强度波动性大,需要低温才能获得均匀的磁化强度,这与在远低于TCurie的材料中观察到完美QAHE的现象一致[16].扫描超导量子干涉装置(scanning superconducting device,SQUID)的测量结果显示出超顺磁行为[39].输运和扫描隧道显微镜实验中也观察到磁性和电子结构的不均匀[40-43].由于随机分布的磁性杂质之间短程磁耦合[44-46],低载流子密度的稀磁掺杂半导体一般具有强烈的磁无序,存在很多磁能隙远低于kBTCurie的弱磁性耦合区域,可以通过极低温或强磁场来抑制这种磁无序,否则穿过磁无序区域的手性边缘态容易被散射.简而言之,QAHE的观测温度受铁磁性最弱的区域的限制.

1.2 其他磁性掺杂拓扑绝缘体体系中的量子反常霍尔效应提高磁性TI中QAHE的观测温度,不仅要增大材料的磁能隙,还应提高磁有序.一般选择不同的磁性掺杂元素即可改善材料的磁性.Chang等[22-23]发现,MBE制备的V掺杂(Bi, Sb)2Te3薄膜在25 mK下具有极大的矫顽场(>1 Sb)2Te3薄膜表面态狄拉克点低于价带顶(磁能隙由于太模糊而无法分辨)[47],因此,需要极低的温度使价带中载流子局域化,才能实现完全量子化.

合金化和共掺杂也是改善材料磁性的有效方法.考虑前面的实验结果:在Cr掺杂TI中可以实现QAHE,但有强烈的磁无序;V掺杂TI有较强的磁各向异性,但狄拉克点低于价带顶(图 4(c)).如果结合这两种掺杂元素,是否可以获得更有效的磁性掺杂?Ou等[48]发现,在Cr-V共掺的(Bi, Sb)2Te3薄膜中可以获得QAHE(图 4(b)),完全量子化温度达到300 mK,1.5 K下零场反常霍尔电阻为97%量子化数值.磁力显微镜(magnetic force microscopy,MFM)测量发现,在矫顽场附近,共掺杂样品中的磁畴明显大于单纯Cr或者V掺杂样品中的磁畴(图 4(d)).

注:(a)磁性共掺杂体系示意图,不同颜色小球表示不同磁性元素;(b)1.5 K下Cr、V共掺TI中不同掺杂情况下反常霍尔电阻和纵向电阻随磁场强度变化曲线[48];(c)Cr、V共掺TI中能带结构示意图[48];(d)5层(CryV1-y)0.19(BixSb1-x)1.81Te3薄膜中矫顽场附近磁力显微镜的磁畴结构扫描图[48];

提高磁能隙更直接的方法是增加磁性掺杂的掺杂浓度.由于3d元素的SOC强度比Bi/Sb和Te要弱的多,提高掺杂浓度将减小TI体能隙,材料可能会从TI转变为NI[49-50].通过在TI表面区域进行重磁性掺杂,在不改变体材料拓扑性质的同时,从某种程度上可以避免这个问题.Mogi等[51]发现通过对(Bi, Sb)2Te3薄膜的上下表面区域进行高达23%的Cr掺杂,可以显著提高QAHE的观测温度.有趣的是,将重型Cr掺杂层调节到亚表面将会进一步提高QAHE的温度到0.5 K(图 4(e)、(f)).这个温度高于He-3制冷机的基础温度,有利于更多研究团队和研究手段进行QAHE的研究.

这些结果说明磁性掺杂TI中的磁无序是低温QAHE的主要原因.然而,磁性掺杂TI永远无法完全消除磁无序.除了磁无序,磁性掺杂原子的随机分布带来的电子能带和化学势的空间波动、Bi/Sb比例的空间分布变化以及薄膜层厚的空间变化也会减小有效磁能隙,造成极低温下的QAHE.无序问题的最终解决方案可能在于寻找具有明确化学计量比的磁性TI材料或异质结构.在异质的磁性掺杂TI体系中,Mogi等[52-53]和Xiao等[54]还观测到了轴子绝缘体相,在直流输运测量中显示出清晰的零电导平台,未来有可能可以实现拓扑磁电效应,但实验观测仍是一个巨大的挑战.

2 近邻效应引起的量子反常霍尔效应引入磁性的另一种有效方式是近邻效应,且自然界中有很多具有有序磁结构的高温甚至超室温的铁磁绝缘体(ferromagnetic insulator,FMI)和反铁磁绝缘体(antiferromagnetic insulator,AFMI),如果能够制备出高质量的(A)FMI/TI/(A)FMI结构,则可能获得高温甚至超高温的QAHE.这个结构中的SOC和铁磁性来自不同空间层,因此可忽略它们的竞争关系.过去几年在这个方向上虽有大量研究,但进展依旧缓慢.理论工作表明在各种FMI/TI界面处,表面态波函数基本全部局域在TI层,在FMI层中的成分可以忽略不计,而铁磁矩也是一个短程作用力,导致铁磁性和表面态之间的相互作用较弱,磁能隙较小(几个meV)[55-57],因此很难获得高温QAHE.另外,在AFMI/TI/AFMI异质结构中如何控制上下两个反铁磁绝缘体层的磁化方向一致也是一个挑战.

layer,SL)结构,每层包含Te/Bi/Te/Mn/Te/Bi/Te七个原子单层,可看作MnTe双原子层(bilayer,BL)插入到Bi2Te3五层结构中.与一般FMI/TI结构中局域化的磁矩和表面态不同的是,Bi2Te3的表面态可以“扩展”到单层MnBi2Te4中,使得表面态与磁矩有强烈的耦合,因此打开巨大的磁能隙.这个理论计算引起了人们极大的兴趣:为什么Bi2Te3的表面态可以“扩展”到MnBi2Te4中?

3 内禀磁性拓扑绝缘体体系结合前面介绍的重型Cr掺杂“五层结构”中的QAHE[51],本文作者团队敏锐地意识到MnBi2Te4可能是一种TI材料,于是从2017年开始使用MBE制备材料并进行原位电子结构表征和磁性测量.

MnTe和MnSe是反铁磁绝缘体,具有层内铁磁和层间反铁磁耦合,MBE可以制备出高质量的薄膜[63-66].MnTe的涅尔温度(TN)大于300 MnTe,获得了高质量的MnBi2Te4单晶薄膜.原位ARPES测量发现在厚度大于1 SL的薄膜中,体能隙中存在狄拉克型线性能带(图 6(d)).第一性原理计算表明,由于SOC与磁序之间的相互作用,该材料具有丰富的拓扑相[68-71].MnBi2Te4的基态是A型配型的3D AFM TI:SL层内铁磁耦合,相邻层间反铁磁耦合,具有面外指向的易磁化轴.该材料具有TRS和平移对称性保护相结合的拓扑非平庸特征.与受TRS保护的3D TI无能隙TSS不同,由于受到法线方向的净磁化作用,MnBi2-Te4的TSS在平行于(0001)的平面上有能隙,在垂直于(0001)的平面上无能隙.磁有序温度Tmo(由于MnBi2Te4可能有不同的磁性构型,表达上用Tmo来代替TCurie或者TN)以上,MnBi2Te4变成没有磁能隙的3D TI,所有表面为无能隙TSS;磁有序温度Tmo以下的奇数层MnBi2Te4薄膜中,上下表面磁化方向相同,类似前面磁性掺杂TI的磁矩情况,两个表面拓扑不同,将产生QAHE(图 6(c));而在偶数层MnBi2Te4薄膜中,上下表面磁化方向相反,两个表面拓扑相同,构成轴子绝缘体.MnBi2Te4层间的AFM耦合要比层内的FM耦合弱很多,通过施加几个特斯拉的外磁场可以转变为层间FM耦合[72](图 6(e)).至此,本文作者所在团队制备出第一个内禀磁性的TI材料,并预言其中存在丰富的拓扑相.

因此,Bi2Te3表面态可以“扩展”到MnBi2Te4中:因为MnBi2Te4是3D TI.当两个3D TI堆叠起来,原本界面处的TSS变成体带,出现体能隙,在整个样品的表面将保持无能隙的TSS[73].

目前MnBi2Te4中很多理论预言的性质都已被实验证实[67, 74-81].M-T曲线显示了典型的具有面外易磁化轴的反铁磁性质[74-78].霍尔效应测量中的阶梯状磁滞回线说明在3~7 T外磁场作用下可以实现AFM到FM的磁相变[67, 74-81],阶梯数目与薄膜层厚有关(图 7(a)).在单晶剥离的3 SL到9 SL薄片中观测到量子化的反常霍尔电阻和纵向电阻消失现象[79-81].量子化霍尔电阻需要大于5 T的外加磁场,与AFM到FM的磁相变所需磁场强度相近,表明量子化霍尔电阻是由磁化引起的,因此不能完全排除QHE的影响,但仍应归因于反常霍尔效应.在偶数层样品中,Liu等[80]观测到强磁场下Chern绝缘体到轴子绝缘体的相变(图 7(c)).在奇数层样品中,多数样品的零场霍尔电阻远低于量子化数值[79, 81],但经过不断的样品优化和解理封装工艺的提升,近期Deng等[79]在一个高质量的5 SL剥离薄膜中获得了QAHE的实验观测.如图 7(b)所示,1.4 K零磁场下获得0.97h/e2的反常霍尔电阻和0.061h/e2的纵向电阻,且量子化与载流子类型和浓度无关,这是典型的QAH现象.在7.6 T的外磁场作用下,量子化霍尔电阻的观测温度高到6.5 K.通过栅极电压调节费米面,在外磁场下还观测到h/2e2的霍尔电阻平台,说明在表面态区域QHE与QAHE共存.Ge等[81]发现,当测量温度高于Tmo=25 K时,高场下的霍尔电阻仍非常接近h/e2(图 meV)大得多,这可以归因于MnBi2Te4的2D性质.2D磁性系统通常会受到磁波动的限制.磁能隙和交换能是系统基态(绝对零度)的性质,主要由层内磁耦合贡献,有可能比kBTmo大得多.外磁场会抑制磁波动,提高有效Tmo,使得霍尔电阻接近量子化数值.Ge等[81]在10

注:(a)不同层厚薄膜中反常霍尔电阻随磁场强度变化曲线[79];(b)5 SL薄膜中的QAHE的输运测量结果[79],插图是解理薄膜的光学显微镜图像;(c)6 SL薄膜中轴子绝缘体相(左)与陈绝缘体相(右)的霍尔电阻/纵向电阻随栅极电压变化曲线[80];(d)7 SL(左)和10

82-83],可能实现QAHE.a=1时是MnBi2Te4.在Mn掺杂的Bi2Te3单晶材料中,能够获得MnBi4Te7(a=2)、MnBi6Te10(a=3)和(MnTe)·a(Bi2Te3)多层结构,测量发现Tmo随着a的增加逐渐降低,层间反铁磁耦合也在降低,但由于单晶体材料有体导电通道,目前还没有观测到QAHE.通过制备(MnTe)·a(Bi2Te3)超晶格结构的薄膜也许可以解决这个问题.

迄今为止,尚未在MBE制备的MnBi2Te4薄膜中实现QAHE.与许多层状材料相似,由于层状材料与基底之间的弱相互作用导致薄膜中晶畴的存在,MBE制备的MnBi2Te4薄膜质量低于单晶样品.但单晶解理样品尺寸小,制备异质结构过程复杂,不利于大规模样品的制备.MBE样品在大尺寸均匀,适合制备各种异质及超晶格结构.进一步提高MBE制备的MnBi2Te4薄膜质量将有助于探索高温QAHE及多种量子效应.

4 设计高温量子反常霍尔效应系统尽管需要外磁场,MnBi2Te4中QAHE的观测温度高于磁性掺杂TI体系.有趣的是,具有类似结构的调制掺杂“五层结构”中也观测到了较高温度的QAHE.这两种系统可以看做是薄FMI层插入3D TI薄膜的插层结构.这种磁性插层TI(magnetically intercalated TI,MITI)在实现高温QAHE方面具有两个优势:1)由FMI贡献的铁磁性比随机分布的磁性掺杂贡献的铁磁性更强、更有序;2)与FMI/TI/FMI三明治结构相比,FMI插层足够薄,TSS波函数可以渗透并实现有效的磁化作用.同时有两点需要注意:首先FMI层间铁磁耦合优于反铁磁耦合,后者可能会降低有效磁能隙;其次FMI薄层需要克服2D磁波动.

更一般的情况,为了增强铁磁性和TSS的相互作用,应结合磁性原子和TI获得内禀磁性TI.但SOC和FM磁交换能存在竞争.通过在TI中增加更多的磁性原子可以增强FM,但可能会降低SOC,尤其是增加3d元素,弱化的SOC会减小磁能隙甚至材料的体能隙,发生TI到NI的相变.使用更重的4d、4f元素作为磁性掺杂将不会减小SOC,但通常会降低FM磁交换能和Tmo.

综上所述,要获得高温QAHE,需使MITI中磁性原子在TSS打开能隙的“效率”最大化.考虑到TSS是2D的,磁性原子与TSS之间相互作用最有效的方法是排列成紧凑的2D结构.

类似MnBi2Te4的MITI可以看做是FMI和TI的超晶格结构,Burkov等[84]对其拓扑相图进行了理论研究,引用并稍作修改的相图见图 8(a).在温度高于Tmo时MITI没有磁有序,是NI和TI的超晶格结构;横坐标ΔS表示TI中上下TSS的杂化能隙(跨越TI体能隙),纵坐标ΔD表示邻近TI层上下TSS的杂化能隙(跨越NI体能隙).显然,ΔS∝1/dTIΔD∝1/dNI,其中dTIdNI表示TI和NI层的层厚.当NI层逐渐变薄,整个超晶格结构将变为TI,反之亦然.

Tmo以下,系统表现为FMI/TI的超晶格结构,相图变得复杂(FMI层间铁磁构型更可能获得高温QAHE,这里不考虑层间反铁磁构型的结构),图中m表示磁交换能隙.当ΔS很大而ΔD很小,系统是拓扑平庸的FMI;当ΔD很大而ΔS很小,系统可以整体看做“FMTI”(在FMI层比较厚时,可能会导致系统SOC减小,发生从TI到NI的相变,所以加一个引号),可以获得Chern数为1的QAHE;当ΔSΔD都很大的时候,系统变为磁性WSM,Chern数随膜厚的增加而增加,外加强磁场下10

其次FMI层(MnTe层)只有一个单层的磁性原子,其2D性质会引起强烈的磁性波动导致Tmo偏低,且Tmo以下有磁无序.如果FMI层中包含两个单层磁原子层,将会大大抑制磁波动(图 8(b)).理论和实验表明,在用2D Ising模型描述的磁性薄膜中,因为交换相互作用是短程作用,Tmo主要由最近的近邻耦合贡献,两个单原子层的磁性原子可以贡献将近体材料一半的TCurie[86-87](图 8(c)).另外,仅包含两个单层磁性原子的FMI膜厚通常低于1 nm,TSS能够穿过并发生有效的磁化相互作用.因此,在包含两个(或三个)单层磁性原子的铁磁耦合FMI与TI的MITI中,有望实现高温QAHE.

MnTe,则非常有可能获得高于77 K的QAHE.另外在范德瓦尔斯外延结构中,通过向TI中插入包含两层或者三层单原子层磁性原子的2D FMI材料,也可以制造人工MITI材料,获得高温QAHE.即使获得的材料是拓扑平庸的FMI,通过增加TI层的厚度,也可将其调整为磁性WSM或“FMTI”相.

5 结论提升QAHE的观测温度有几个方面的挑战.首先,SOC和FM交换能相互竞争,很难同时增强;其次,随机分布的磁性掺杂或者2D磁性插层中存在磁性波动,降低了Tmo和QAHE的观测温度;第三,在FMI/TI界面,TSS和FM之间的相互作用较弱,导致表面磁能隙小.这些问题可以在2或3个单层磁性原子插层的MITI中得到一定程度的解决,甚至可以在高于77 K的温度下观测到QAHE,比如复杂的内禀磁性TI(M2Bi2Te5族)或TI/FMI(包含2或3个单原子层磁性原子层)的人工范德瓦尔斯异质结构.

当然,上述方法不是实现高温QAHE的唯一方法,破坏2D TI中的TRS也可以实现QAHE[13].单原子层或者少数原子层的2D TI(锡烯[89-91],铋烯[92]和1T’-WTe2[93-94]等)与FMI可能具有更强的磁近邻效应,可以获得高温QAHE.最近在扭曲的双层石墨烯和ABC-三层石墨烯/六方氮化硼的莫尔超晶格结构中,由于TRS被电子相互作用产生的磁性破坏,观测到了QAHE[95-97].扭曲双层石墨烯中,1.6 K下实现了零磁场的量子化霍尔电阻和零纵向电阻[97],为寻找高温QAHE提供了一个新的方向.

在高于77 K的温度实现QAHE将使无耗散手性量子边缘态和许多拓扑量子效应的应用成为可能.同时,QAHE也是构建多种拓扑量子相的基础模块,高温QAHE的实现将会将拓扑量物质研究领域从基础物理学推向全新的未来.

我要回帖

更多关于 清华大学反常霍尔效应 的文章

 

随机推荐