量子反常霍爾效應(yīng)的實驗觀測和體會（四）
薛其坤
延伸到FeSe高溫超導(dǎo)體系
我們同樣利用分子束外延（MBE）的辦法長出原子級平整的FeSe超導(dǎo)薄膜（圖1），從而以“黑馬”的姿態(tài)進入凝聚態(tài)物理另一個非常重要的領(lǐng)域——高溫超導(dǎo)體系，并于2011年在《科學(xué)》雜志發(fā)表了相關(guān)文章。從多年前做半導(dǎo)體GaAs時掌握的一些基本經(jīng)驗開始，到Bi2Se3、FeSe 和FeTe 的薄膜制備，可以看到這些由兩種元素反應(yīng)形成的化合物材料的生長條件是非常類似的，很多東西都是相通的。所以，對實驗物理學(xué)家而言，學(xué)術(shù)的長期積累和實驗技術(shù)的發(fā)展非常重要。
圖1 原子級平整的FeSe超導(dǎo)薄膜。
拓撲絕緣體基本性質(zhì)的實驗證明
解決了基本的材料問題，馬上就要進入第二步——拓撲絕緣體理論上預(yù)期了很多有趣的物理現(xiàn)象，那么如何能看到這些基本性質(zhì)呢？我們很快用另一臺先進儀器證明了拓撲態(tài)的時間反演對稱性、拓撲態(tài)是一個無質(zhì)量的狄拉克費米子體系等結(jié)論，這些工作先后在2009年、2010年的《物理評論快報》（PRL）上發(fā)表。我們用到的儀器是極低溫強磁場STM-MBE聯(lián)合系統(tǒng)，在400mK的溫度下可以加11個特斯拉的強磁場。（圖2）這樣，我和陳曦、馬旭村、謝心澄等一起，在對拓撲絕緣體基本物理性質(zhì)的研究方面也取得了一些成果，并先后入選2010年度“中國高等學(xué)校十大科技進展”和“中國科學(xué)十大進展”。我們的團隊成員還獲得了2011年度求是杰出科技成就集體獎和2012年度陳嘉庚科學(xué)獎。
圖2 極低溫強磁場STM-MBE聯(lián)合系統(tǒng)。
第三步：探索新奇的物理效應(yīng)
回過頭來看，我們首先用先進的實驗技術(shù)解決了拓撲絕緣體的材料問題，接下來又與不同領(lǐng)域多位科學(xué)家合作，證明拓撲絕緣體有很多非常好的基本物理性質(zhì)。但是對物理學(xué)來說，我們的工作還必須能看到實實在在的物理效應(yīng)。所以第三步，也是對理論發(fā)展非常重要的一步，就是我們到底能不能看到新奇的物理效應(yīng)呢？
盡管拓撲絕緣體的研究已經(jīng)持續(xù)多年，但在我們的工作成功之前，相關(guān)領(lǐng)域還不曾出現(xiàn)過一個非常重要的物理效應(yīng)發(fā)現(xiàn)。如果這種情況持續(xù)下去，包括我們在內(nèi)、國際上許多在這方面一無所獲的物理學(xué)家可能都要打退堂鼓了。所以能否觀測到新奇的物理效應(yīng)實際上決定著這個領(lǐng)域的發(fā)展。
在新奇物理效應(yīng)的探索方面，我們分了三個不同的組。一個組探索實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，何珂、王亞愚是這個組中年輕而優(yōu)秀的先頭兵，我和馬旭村在后面做監(jiān)督；另一個組研究馬約拉納（Majorana）費米子，它的粒子等于它的反粒子，這個如果能在拓撲效應(yīng)中看到也很有意思，賈金鋒在上海交大做了相關(guān)工作；最后，我和陳曦還做了一些其他方面的研究，如磁單極的研究等。
早在1988年，美國普林斯頓大學(xué)的霍爾丹（F. D. M. Haldane）就預(yù)期了沒有磁場的量子霍爾效應(yīng)。拓撲絕緣體領(lǐng)域出現(xiàn)之后，張首晟、日本學(xué)者永長直人（Nagaosa）和華人學(xué)者牛謙等都預(yù)期了如何由拓撲絕緣體實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。其中，有種理論預(yù)言認為用拓撲絕緣體原始材料再加上磁性材料摻雜，使它變得有磁性，不就可以實現(xiàn)量子化的反常霍爾效應(yīng)了嗎？2006年，清華校友祁曉亮和導(dǎo)師張首晟論證了在拓撲絕緣體表面加磁性可以產(chǎn)生量子反常霍爾效應(yīng)。后來，劉朝星、祁曉亮、戴希、方忠、張首晟提出在Hg1-yMnyTe中也可能實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的觀點。2010年初，李潤中、王靖、祁曉亮、張首晟提出我在前文中提到的Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3等化合物的磁性摻雜從理論上來講也是可以的。更近一步的是，在磁性摻雜理論基礎(chǔ)上，戴希、方忠、張首晟認為如果將某類材料做成薄膜的話，就會產(chǎn)生量子反常霍爾效應(yīng)。因為我們在對這類材料的研究方面有非常好的基礎(chǔ)，所以馬上以此為對象開展了相關(guān)實驗。美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)，日本東京大學(xué)，德國維爾茨堡大學(xué)等高校都有進行同類實驗的研究組，但迄今為止除了我們，沒有一個組能實現(xiàn)真正量子化的反常霍爾效應(yīng)。
材料要求上的難度
這個實驗的難度究竟有多大呢？先講材料要求上的難度。量子反常霍爾效應(yīng)的實現(xiàn)對材料的要求有三點：（1）材料必須具有鐵磁性從而存在反常霍爾效應(yīng)；（2）既然是磁性的拓撲絕緣體，即使加了磁性以后，材料必須還是絕緣的，也就是體內(nèi)電子對導(dǎo)電沒有任何貢獻；（3）材料的電子結(jié)構(gòu)必須具有拓撲特性——實現(xiàn)“電子高速公路”的一維導(dǎo)電通道。關(guān)于這三點，王亞愚有個生動的比喻：就像一個人，既要有短跑運動員的速度，又要有籃球運動員的高度，還要加上體操運動員的靈巧。一個人同時做到這三點很不容易，就相當(dāng)于我們對材料提出了幾乎不可能實現(xiàn)的苛刻要求。把材料做到具有鐵磁性從物理上講很容易，可以多摻一點鐵、鎳。但一旦有鐵磁性之后，它就很難絕緣了。之前講過，兩個頂尖專家的實驗表明，一個兩元的化合物都很難絕緣，如果加上鐵、鈷、鎳這樣的磁性材料，就更難做到絕緣了，所以第二點幾乎是不可能實現(xiàn)的。第三點，磁性摻多了會破壞鐵磁特性，摻少了又不形成拓撲特性，因此掌握“火候”也不是很容易。
我們最后實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的材料是Cr0.15(Bi0.1Sb0.9)1.85Te3，即使對學(xué)化學(xué)的人來說，這也是一個非常復(fù)雜的分子式，何況我們是做物理的。如果一開始有人預(yù)期說Bi2Te3、Sb2Te3和Cr的化合物會出現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，我也許一看就覺得不可能，不會往下做。但是我們從最基本的材料開始，一步一步走下去，竟然就找到了這樣一個非常復(fù)雜的材料。
材料質(zhì)量上的重大挑戰(zhàn)
之前我談到了《科學(xué)》雜志發(fā)表文章中的兩元化合物Bi2Te3，斯坦福大學(xué)的費舍爾為了制作這個樣品，把高純度的銻與碲在石英管中均勻混合，石英管在700℃的溫度下加熱兩個小時，再花4天時間降到475℃。讓兩種材料均勻反應(yīng)并加上前期準(zhǔn)備實驗的話，做一個樣品的全過程需要5天時間，但它還是導(dǎo)電的。這么頂尖的專家都做不到，只能說明這個材料確實很難發(fā)現(xiàn)。普林斯頓大學(xué)的卡瓦制備Bi2Se3，是把高純度的鉍Bi和硒Se均勻混合，在石英管中加熱到850℃，再用兩天時間降到650℃，保溫一周，整個實驗需要10天，依然導(dǎo)電。東京大學(xué)的十倉好紀(jì)（Yoshinori Tokura）也是非常優(yōu)秀的物理學(xué)家，他所在的團隊也是在鉍和碲方面做，將高純原材料均勻混合，在石英管中加熱兩天，溫度為800℃，用一周緩慢降溫生長單晶，也需要10天，同樣是導(dǎo)電的。因此，這不是一項簡單的工作。
圖3 整個實驗室一個非常有機的合作過程。
我們尋找的方式和他們不一樣，效率也更高些。何珂用MBE-STM-ARPES聯(lián)合系統(tǒng)加上王亞愚的霍爾效應(yīng)（Hall effect）輸運系統(tǒng)，兩臺機器一起合作， 從2010年1月開始嘗試實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。我們的目標(biāo)是h/e2 = 25812.807557 Ω（量子霍爾電阻ρxy）。它絕緣，而且也應(yīng)該是量子化的。我們用分子束外延（MBE）技術(shù)進行磁性摻雜，用掃描隧道顯微鏡（STM）進行表面形貌測量，看它是否均勻，然后用角分辨光電子能譜（ARPES）分析其電子結(jié)構(gòu)，之后要把5納米的薄膜安全地保護起來，再進行電輸運、磁性測量，一個周期下來要兩三天，有時測量需要24個小時甚至48小時。由此我們開始了一個非常有機的合作過程。（圖3）
（未完待續(xù)。本文根據(jù)薛其坤院士2013年4月27日做客清華論壇所作報告編輯整理。編輯整理/程曦 張碩 向小雨 賈霄宇 馬逸昕 韓靖北 周詩宇）
來源：新清華2013-09-13 第1929期
