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探秘“一沙一世界”有新解,上海科学家首次同时观测“正反”霍尔效应
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来源:上观新闻 作者:彭德倩 杨泽璇 2020-01-24 17:41
摘要:“一沙一世界”——一块晶体反映了这个宇宙的结构。量子反常霍尔效应正是微观电子的量子现象在宏观尺度下精确而完美的体现,也是这个真实世界奇异性的极致体现。

很少有人知道常见的“一沙一世界”。在物理学最前沿的领域中,有着绝妙诠释——一般而言,一个材料的电阻依赖于材料的几何形状。而量子力学预言了这样一类材料,它的电阻不再依赖于材料的几何形状、缺陷等性质。任意从这种材料的薄膜上切下一块,它的纵向电阻为零,横向电阻将是一个精确的物理常数,这就是量子反常霍尔效应。“一沙一世界”——一块晶体反映了这个宇宙的结构。量子反常霍尔效应正是微观电子的量子现象在宏观尺度下精确而完美的体现,也是这个真实世界奇异性的极致体现。

复旦大学物理学系张远波课题组,首次在单一器件里同时观测到量子反常霍尔效应和量子霍尔效应,这将为人类对量子世界的了解及新材料的发现开辟新思路。

24日,相关论文《本征磁性拓扑绝缘体锰铋碲中的量子反常霍尔效应》在线发表于《科学》杂志。

 A:少层MnBi2Te4单晶的电输运器件;B:五层MnBi2Te4的原子结构;C:五层MnBi2Te4单晶中的量子反常霍尔效应。

据了解,实现量子反常霍尔效应的材料体系需要兼具磁性和拓扑性质, 条件非常苛刻。清华大学薛其坤团队于2013年首次在磁性原子掺杂的拓扑绝缘体薄膜中观测到量子反常霍尔效应。该材料中无损耗的导电边缘态可以在没有外部磁场的环境下存在,若被应用到电子学器件中,有望解决发热耗能等问题,推动量子材料领域革命性发展。此后,凝聚态物理学和材料学领域一直在寻找更好的材料体系,希望能够探索轴子电动力学、分数量子反常霍尔效应等全新未知的物理现象;或在更宽松的条件下实现量子反常霍尔效应,拓展其在精密测量、电子学器件方面的应用潜力。

然而,依托掺杂磁性原子的方法所得磁性拓扑绝缘体生长难度大,磁性原子虽作为磁性引入的手段,同时以杂质形式存在于材料之中,使材料质量受到限制,增加了在实验上获得高温高质量的量子反常霍尔效应的难度。

直到最近,在张远波课题组的努力下,首个本征磁性拓扑绝缘体锰铋碲被理论预言并成功制备,其高质量的五层单晶中分别观察到了量子反常霍尔效应和常规量子霍尔效应,这备受研究者瞩目。该材料体系无需依赖于外来掺杂,本身兼具磁性和拓扑的双重属性,故少层的锰铋碲有可能实现高温量子反常霍尔效应。

块体的锰铋碲像石墨一样是层状的范德瓦尔斯晶体,可以机械解理成少层单晶。张远波团队从块体材料出发,运用之前在二维材料领域发展而来的技术来解理和制备器件,以探索范德瓦尔斯材料中的量子反常霍尔效应及相关的新物理。研究人员剥离获得三、四、五层锰铋碲单晶,制备了锰铋碲的少层电输运器件,并在外磁场下观测到由层间反铁磁耦合带来的丰富磁结构。

在这一基础上,研究重点转向高质量的五层单晶,令科学家们惊喜的是,从块体材料出发制备的本征磁性拓扑绝缘体少层单晶的质量已经可与最好的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜媲美,而这仅仅是对于该材料研究的起点,以锰铋碲为代表的这类范德瓦尔斯材料将为未来的研究提供更多的可能性。基于以上发现,团队将进一步探索量子反常霍尔效应以及相关的新物理。

栏目主编:徐瑞哲 文字编辑:徐瑞哲 题图来源:IC PHOTO 图片编辑:徐佳敏
内文图: 课题组供图
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