薛其坤等《科学》发文初次在试验上发现量子失
来源:号令网 发表于2019-07-20 19:21:48 编辑:刘涛
摘要: 薛其坤等《科学》发文 初次在试验上发现量子失常霍尔效应 或将推进信息技术前进 3月15日电 (记者 顾淑霞 通讯员王亚愚) 由清华大学薛其坤院士领衔,

薛其坤等《科学》发文 初次在试验上发现量子失常霍尔效应

或将推进信息技术前进

3月15日电 (记者 顾淑霞 通讯员王亚愚) 由清华大学薛其坤院士领衔,清华大学、中科院物理所和斯坦福大学的研讨人员联合组成的团队在量子失常霍尔效应研讨中取得重大突破,从试验上初次观测到量子失常霍尔效应,在美国物理学家霍尔于1880年发现失常霍尔效应133年后总算完结了失常霍尔效应的量子化。这是我国科学家从试验上独立观测到的一个重要物理现象,也是国际基础研讨范畴的一项重要科学发现。该效果于北京时刻3月15日清晨(美国东部时刻3月14日下午)在《科学》杂志在线宣告。《科学》杂志的三位匿名审稿人对该项效果都给予了高度评价。文章的一同榜首作者为清华大学物理系的博士生常翠祖、张金松、冯硝同学和中科院物理所的博士生沈洁同学。该作业是由清华大学物理系薛其坤、王亚愚、陈曦、贾金锋,中科院物理所何珂、马旭村、王立莉、吕力、方忠、戴希等一同一同攻关完结的。

?Chemical potential

量子失常霍尔效应的原理示意图:当化学势(chemical potential)坐落铁磁拓扑绝缘体的狄拉克点处翻开的能隙内时,其零磁场的失常霍尔电导sxy(0) 到达量子电导e2/h的数值并构成渠道,而其纵向电导sxx(0)变为0。

? 因为人们有或许使用量子霍尔效应开展新一代的低能耗晶体管和电子学器材,这将会战胜电脑的发热和能量耗散问题,然后有或许推进信息技术的前进。但是,因为一般量子霍尔效应的发生需求用到十分强的磁场(一般需求的磁场强度是地磁场的几万乃至几十万倍),因而使用起来十分贵重和困难。而量子失常霍尔效应的最美好之处是不需求任何外加磁场,因而,这项研讨效果将会推进新一代的低能耗晶体管和电子学器材的开展,或许加快推进信息技术革命的进程。

?量子失常霍尔效应的丈量器材示意图:将分子束外延成长的铁磁拓扑绝缘体薄膜制备成场效应晶体管的结构,并对其霍尔电阻ryx 和纵向电阻rxx进行精细丈量。

? 美国科学家霍尔别离于1879年和1880年发现霍尔效应和失常霍尔效应。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,这两项效果别离于1985年和1998年取得诺贝尔物理奖。2006年,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,于2007年被试验证明。量子失常霍尔效应是又一个全新的量子效应,被认为有或许是量子霍尔效应宗族的最终一个重要成员;加之其在使用方面的重要性,因而,从理论研讨和试验上完结量子失常霍尔效应,成为凝聚态物理学家寻求的方针。自1988年开端就不断有理论物理学家提出各种计划,这包含2008年张首晟等和2019年方忠和戴希等提出的磁性掺杂拓扑绝缘体计划。但是失常霍尔效应的量子化需求资料的性质一起满意三项十分严苛的条件,这就好像要求一个人一起具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度和体操运动员的灵活:资料的能带结构有必要具有拓扑特性然后具有导电的一维边际态,即一维导电通道;资料有必要具有长程铁磁序然后存在失常霍尔效应;资料的体内有必要为绝缘态然后对导电没有任何奉献,只要一维边际态参加导电。在实践的资猜中完结以上任何一点都具有相当大的难度,而要一起满意这三点对试验物理学家来讲是一个巨大的应战,美国、德国、日本等科学家因为无法在资猜中一起满意这三点而未取得最终的成功。

? 量子失常霍尔效应的试验数据图:不同的曲线显现在不同栅极电压下资料霍尔电阻ryx? 随磁场的改变。在必定的栅极电压范围内,零磁场的失常霍尔电阻数值到达量子电阻的数值h/e2。

? 自2009年起,在清华大学薛其坤院士的带领下,我国科学院物理研讨所的马旭村、何珂和王立莉、清华大学物理系王亚愚、陈曦和贾金锋以及中科院物理所的吕力等四个研讨组组成的试验攻关团队,与中科院物理所方忠、戴希等组成的理论团队,开端向量子失常霍尔效应的试验完结建议冲击。在曩昔近四年的时刻里,团队成长和丈量了超越1000个样品,一步步战胜了重重障碍。团队使用分子束外延的办法成长了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜,将其制备成输运器材并在极低温环境下对其磁电阻和失常霍尔效应进行了精细丈量。他们发现在必定的外加栅极电压范围内,此资料在零磁场中的失常霍尔电阻到达了量子霍尔效应的特征值h/e2~ 25800欧姆。他们将研讨效果投到美国《科学》(Science)杂志,很快被承受。

这是咱们团队精诚合作,联合攻关的一同效果,是我国科学家的团体荣誉 。薛其坤院士着重说。

在研讨过程中,该团队取得了系列研讨效果,拓扑绝缘体研讨效果曾当选2019年我国科学十大开展和我国高校十大科技开展,团队成员还取得了2019年 求是出色科学家奖 、 求是出色科学成果团体奖 和 我国科学院出色科技成果奖 以及2019年 陈嘉庚科学奖 和 全球华人物理学会亚洲成果奖 等荣誉。

该研讨得到了国家天然科学基金委、科技部、教育部、清华大学和我国科学院等的基金赞助。

? 布景链接一:量子霍尔效应的研讨效果

? ?在凝聚态物理的研讨中,量子霍尔效应占有着极其重要的位置,此前在这方面的重要作业包含:

? ? 整数量子霍尔效应(1980年发现,1985年诺贝尔物理奖);

? ? 分数量子霍尔效应(1982年发现,1998年诺贝尔物理奖);

? ?量子化自旋霍尔效应(2007年发现,2019年欧洲物理奖,2019年美国物理学会巴克利奖)。

? ? 量子失常霍尔效应是在此范畴的又一个重大开展,有或许是量子霍尔效应宗族的最终一个重要成员。

布景链接二:霍尔效应、量子霍尔效应与量子失常霍尔效应

霍尔效应是美国物理学家霍尔(Edwin Hall)于1879年发现的一个物理效应。在一个通有电流的导体中,假如施加一个垂直于电流方向的磁场,因为洛伦兹力的效果,电子的运动轨迹将发生偏转,然后在垂直于电流和磁场方向的导体两头发生电压,这个电磁输运现象便是闻名的霍尔效应。发生的横向电压被称为霍尔电压,霍尔电压与施加的电流之比则被称为霍尔电阻。因为洛伦兹力的巨细与磁场成正比,所以霍尔电阻也与磁场成线性改变联系。

1980年左右,德国科学家冯·克利青(Klaus von Klitzing)发现了整数量子霍尔效应,取得1985年诺贝尔物理奖。1982年,美籍华人物理学家崔琦(Daniel Chee Tsui)和施特默(Horst L. Stormer) 等发现了分数量子霍尔效应,这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林(Robert B. Laughlin)给出理论解说,他们三人荣获1998年诺贝尔物理奖。

量子霍尔效应之所以如此重要,一方面是因为它们表现了二维电子体系在低温强磁场的极点条件下的美妙量子行为,另一方面这些效应或许在未来电子器材中发挥特别的效果,能够用于制备低能耗的高速电子器材。例如,假如把量子霍尔效应引进计算机芯片,将会战胜电脑的发热和能量耗散问题。但是因为量子霍尔效应的发生需求用到十分强的磁场,因而至今停止它还没有特别大的实用价值--要发生所需的磁场不光价格贵重,并且其体积巨大(衣柜巨细)也不适合于个人电脑和便携式计算机。

1880年,霍尔在研讨磁性金属的霍尔效应时发现,即便不加外磁场也能够观测到霍尔效应,这种零磁场中的霍尔效应便是失常霍尔效应。失常霍尔效应与一般的霍尔效应在本质上彻底不同,因为这儿不存在外磁场对电子的洛伦兹力而发生的运动轨迹偏转。失常霍尔电导是因为资料自身的自发磁化而发生的,因而是一类新的重要物理效应。联想到上面介绍的量子化的霍尔效应,人们天然就会问,能不能完结不需求外加磁场的量子化的失常霍尔效应呢?这首先将是又一个全新的量子效应,有或许是量子霍尔效应宗族的最终一个重要成员。此外,假如能在试验上完结零磁场中的量子霍尔效应,咱们就有或许使用其无耗散的边际态开展新一代的低能耗晶体管和电子学器材,然后处理电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题,有或许推进信息技术的前进。该团队的研讨使这一等待变成实际。

北京时刻2019年3月15日,《科学》(Science)杂志在线发文,宣告薛其坤院士领衔的团队在试验上初次发现量子失常霍尔效应。

 

薛其坤等《科学》发文初次在试验上发现量子失常霍尔效应

 

薛其坤等《科学》发文初次在试验上发现量子失常霍尔效应

 

薛其坤等《科学》发文初次在试验上发现量子失常霍尔效应

 

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