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我国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应
发布时间:2013-04-10 来源:物理研究所 【字号:  

 

[视频库视频: 在实验中发现“量子反常霍尔效应”:我国物理学研究取得世界级成果]

 

【新闻联播】在实验中发现“量子反常霍尔效应” 我国物理学研究取得世界级成果

 

[视频库视频: 我科学家发现量子反常霍尔效应]

 

【新闻直播间】我科学家发现量子反常霍尔效应

4月10日,清华大学和中国科学院物理研究所在北京联合宣布:由清华大学薛其坤院士领衔,清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队最近取得重大科研突破,在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中,从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这一实验发现也证实了此前中科院物理研究所与斯坦福大学理论团队的预言。

130多年前,美国物理学家霍尔先后发现了霍尔效应和反常霍尔效应。1980年德国科学家冯•克利青发现整数量子霍尔效应,1982年美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应,这两项成果分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理奖。物理学家认为量子霍尔效应家族中也应该存在量子反常霍尔效应。但如何使其现身并在实验上观测到成为近些年凝聚态物理学家探索的重要难题之一。拓扑绝缘体这个新领域出现之后,2006年美国斯坦福大学/清华大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应,并于2008年提出了在拓扑绝缘体中引入磁性实现量子反常霍尔效应的可能性。

2010年,中科院物理研究所方忠、戴希研究员等与张首晟教授合作,预言了Cr或Fe掺杂的Bi2Se3,Bi2Te3和Sb2Te3族三维拓扑绝缘体薄膜是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。要在实验上实现反常霍尔效应的量子化需要拓扑绝缘体材料同时满足三项非常苛刻的条件:材料的能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态;材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应;材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度,而要同时满足这三点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战,德国、日本、美国的科学家由于无法在材料中同时满足这三点而未取得最后的成功。

2009年起,由薛其坤院士带领的清华大学物理系王亚愚、陈曦、贾金锋和中科院物理所马旭村、何珂、王立莉、吕力组成的联合实验团队,与方忠、戴希、张首晟等理论物理学家合作,开始向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。在过去近四年的时间里,团队生长和测量了超过1000个样品,克服了重重障碍,一步步实现了对磁性掺杂拓扑绝缘体高质量薄膜的生长、表面电子态的观测、特别是对其电子结构、磁有序态和能带拓扑结构的精密调控。2012年10月,该团队利用分子束外延生长了Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3薄膜,将其制备成输运器件并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。他们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,从而证实了此前的理论预言。该成果于北京时间3月15日以“Experimental observation of the quantum anomalous Hall effect in a magnetic topological insulator”为题,在美国《科学》(Science)杂志在线发表,清华大学物理系博士生常翠祖、张金松、冯硝和中科院物理所博士生沈洁为文章的共同第一作者。

该成果的获得是我国科学家长期积累、协同创新、集体攻关的一个成功典范。前期,团队成员已在拓扑绝缘体研究中取得过一系列的进展,研究成果曾入选2010年中国科学十大进展和中国高校十大科技进展,团队成员还获得了2011年“求是杰出科学家奖”、“求是杰出科技成就集体奖”和“中国科学院杰出科技成就奖”,以及2012年“全球华人物理学会亚洲成就奖”、“陈嘉庚科学奖”等荣誉。该工作得到了国家自然科学基金委员会、科技部、教育部和中国科学院等的资助。

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