我國科學(xué)家首次在實驗中發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)
清華大學(xué)和中國科學(xué)院物理研究所4月10日在京聯(lián)合宣布：
由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜，清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所聯(lián)合組成的實驗團隊最近取得重大科研突破，在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應(yīng)。這一實驗發(fā)現(xiàn)也證實了此前中科院物理研究所與斯坦福大學(xué)理論團隊的預(yù)言。
130多年前，美國物理學(xué)家霍爾先后發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)。1980年德國科學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，1982年美國科學(xué)家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應(yīng)，這兩項成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理獎。物理學(xué)家認為量子霍爾效應(yīng)家族中也應(yīng)該存在量子反常霍爾效應(yīng)。但如何使其現(xiàn)身并在實驗上觀測到成為近些年凝聚態(tài)物理學(xué)家探索的重要難題之一。拓撲絕緣體這個新領(lǐng)域出現(xiàn)之后，2006年美國斯坦福大學(xué)/清華大學(xué)張首晟教授領(lǐng)導(dǎo)的理論組成功地預(yù)言了二維拓撲絕緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng)，并于2008年提出了在拓撲絕緣體中引入磁性實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的可能性。
2010年，中科院物理研究所方忠、戴希研究員等與張首晟教授合作，預(yù)言了Cr或Fe摻雜的Bi2Se3,Bi2Te3和Sb2Te3族三維拓撲絕緣體薄膜是實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的最佳體系。要在實驗上實現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)的量子化需要拓撲絕緣體材料同時滿足三項非常苛刻的條件：材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓撲特性從而具有導(dǎo)電的一維邊緣態(tài)；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反常霍爾效應(yīng)；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而對導(dǎo)電沒有任何貢獻。在實際的材料中實現(xiàn)以上任何一點都具有相當(dāng)大的難度，而要同時滿足這三點對實驗物理學(xué)家來講是一個巨大的挑戰(zhàn)，德國、日本、美國的科學(xué)家由于無法在材料中同時滿足這三點而未取得最后的成功。
2009年起，由薛其坤院士帶領(lǐng)的清華大學(xué)物理系王亞愚、陳曦、賈金鋒和中科院物理所馬旭村、何珂、王立莉、呂力組成的聯(lián)合實驗團隊，與方忠、戴希、張首晟等理論物理學(xué)家合作，開始向量子反常霍爾效應(yīng)的實驗實現(xiàn)發(fā)起沖擊。在過去近四年的時間里，團隊生長和測量了超過1000個樣品，克服了重重障礙，一步步實現(xiàn)了對磁性摻雜拓撲絕緣體高質(zhì)量薄膜的生長、表面電子態(tài)的觀測、特別是對其電子結(jié)構(gòu)、磁有序態(tài)和能帶拓撲結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控。2012年10月，該團隊利用分子束外延生長了Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3薄膜，將其制備成輸運器件并在極低溫環(huán)境下對其磁電阻和反常霍爾效應(yīng)進行了精密測量。他們發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應(yīng)的特征值h/e2～25800歐姆，從而證實了此前的理論預(yù)言。該成果于北京時間3月15日以"Experimental observation of the quantum anomalous Hall effect in a magnetic topological insulator"為題，在美國《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)表，清華大學(xué)物理系博士生常翠祖、張金松、馮硝和中科院物理所博士生沈潔為文章的共同第一作者。
該成果的獲得是我國科學(xué)家長期積累、協(xié)同創(chuàng)新、集體攻關(guān)的一個成功典范。前期，團隊成員已在拓撲絕緣體研究中取得過一系列的進展，研究成果曾入選2010年中國科學(xué)十大進展和中國高校十大科技進展，團隊成員還獲得了2011年“求是杰出科學(xué)家獎”、“求是杰出科技成就集體獎”和“中國科學(xué)院杰出科技成就獎”，以及2012年“全球華人物理學(xué)會亞洲成就獎”、“陳嘉庚科學(xué)獎”等榮譽。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部、教育部和中國科學(xué)院等的基金資助。
編輯：欣研
