神州化学家第贰次尝试求证三个维衡量子霍尔效

2019-09-06 22:47栏目:生命科学

从八十年代初在二维电子体系中发现至今,量子霍尔效应作为超导之外的另一个著名宏观量子现象在凝聚态物理中催生出了一个越趋活跃的研究领域。其内在本质,是将数学中的拓扑概念引入物理,超越了Landau根据对称性破缺理论对物质分类的传统标准,为近年的拓扑物态与拓扑材料的快速发展奠定了基础。

图1 a. ZrTe5的晶格结构;b. 实验测量的费米面形状,该费米面是封闭的,表征该电子体系的三维

在碲化锆体系中观测到三维量子霍尔效应。(制图:王国燕、何聪)

量子霍尔效应是否只存在于二维体系?这个基础问题从二维量子霍尔效应发现后不久即引起领域的关注。早在1987年,Bertrand Halperin从理论上就预言了三维量子霍尔效应的存在和它的测量特征。但要验证这个新奇效应,对材料体系与测量手段的要求都非常高;尽管已有诸多尝试,实验上仍缺乏可信的观测证据。

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合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系的乔振华教授与南方科技大学张立源教授、新加坡科技设计大学杨声远教授、美国佛罗里达州立大学的杨昆教授、麻省理工学院的Patrick A. Lee教授和布鲁海文国家实验室的Genda Gu教授等理论与实验合作,在碲化锆块体单晶体材料中首次观测到三维量子霍尔效应的明确证据,并指出该效应可能是由于磁场下相互作用产生的电荷密度波诱导的。这一重要研究成果5月9日在线发表在国际权威学术期刊《自然》上。

最近,南方科技大学张立源研究组、中国科学技术大学乔振华研究组与国外研究团队的密切合作,通过研究发现:超高的迁移率、超低载流子浓度,以及单个费米口袋特性是整个实验成功的关键所在。他们研究了多种高品质的ZrTe5晶体,该材料在2014年被中科院物理所翁红明、戴希和方忠等人预测可能具有非平庸的拓扑性。在低温和小磁场条件下,通过量子振荡输运测量和分析手段,可以重构出一个非常清晰的闭合费米面拓扑结构。这种封闭的三维费米面可以与准二维体系明确分开,在量子极限区域,观测到纵向电阻为零和平台状的霍尔电阻,这种行为与Halperin教授预言的三维量子霍尔效应的特征完全一致。当继续增大磁场,还进一步发现金属绝缘体转变,说明该三维体系中的量子相异常丰富。

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《自然》:中国科大首次观测到三维量子霍尔效应

在国家自然科学基金项目(批准号:11874193,11474265)等资助下,南方科技大学物理系张立源研究组、中国科学技术大学物理学院乔振华研究组与新加坡科技设计大学杨声远教授、美国佛罗里达州立大学杨昆教授、麻省理工学院Patrick A. Lee教授和布鲁海文国家实验室Genda Gu教授合作在量子霍尔效应研究领域取得重要进展,在五碲化锆块体单晶材料中首次观测到三维量子霍尔效应。该成果以“Three-dimensional Quantum Hall Effect and Metal–insulator Transition in ZrTe5”(五碲化锆中的三维量子霍尔效应和金属绝缘体相变)为题,于5月8日在线发表在Nature上,文章链接:

三维量子霍尔效应未来有什么样的应用,让我们拭目以待。

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上世纪八十年代,德国科学家冯·克利青在二维体系中实验发现了量子霍尔效应, 开启了凝聚态物理学中研究拓扑物理的新时代,也深刻地改变了人们对相变和物态分类的理解。特别是最近十多年来,拓扑量子物态和拓扑量子材料的研究已经成为当前凝聚态物理最活跃的研究领域之一。把量子霍尔效应从二维拓展到三维体系,这项研究在二维量子霍尔效应实验发现后不久便引起关注。哈佛大学著名物理学家Bertrand Halperin教授1987年在理论上预言了三维量子霍尔效应的可能存在方式和具体特征。然而,该项实验对测量条件和材料品质的要求异常苛刻,科研人员进行了诸多尝试,但实验上未获得确信的直接观测证据。

从2014年起,南方科技大学张立源团队开始尝试实验研究该体系,希望在拓扑性质研究上有所斩获,却意外发现碲化锆也是研究三维体系的理想材料。2017年初,从事相同方向理论研究的中国科学技术大学乔振华团队与张立源团队开始密切合作,测试分析了难以计数的来自国内外著名研究机构的样品,终于在该三维宏观材料上观测到量子霍尔效应。

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