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三維量子霍爾效應應用,四維量子霍爾效應

2023-04-02 08:33:51

  復旦大學物理系修課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片上觀測到了Waier軌道形成新的三維量子霍爾效應的直接證據,邁出了從二維到三維的關鍵一步。

  北京時間12月18日零時,相關研究成果在《砷化鎘中基於外爾軌道的量子霍爾效應》 (Nature,doi: 10.1038/S41586-018-0798-3)網上發表,題目為《自然》(「基於Weyl軌道的量子霍爾效應INCD 3AS2」)。)。修賢為通訊員,復旦大學物理系博士生張誠、復旦大學校友、康奈爾大學博士後張毅、復旦大學物理系博士生袁翔為共同第一作者。

  共同第一作者:張成、張毅、袁翔;通信作者:修;第一單元:復旦大學物理系;論文doi: 10.1038/S41586-018-0798-3。

  對於這項成果的誕生,修法顯覺得這只是砷化鎘研究的開始。「這是一部作品。我們第一次提出了新的機制,也得到了認可。但仍有一些事情需要深入挖掘,一些更具體的事情,我認為我們必須繼續認真做下去。這次發現了三維量子霍爾效應,為今後進一步的科學研究和探索提供了一定的實驗基礎。此外,這種材料體系在應用中具有非常高的遷移率,電子的傳輸和響應非常快。它可以用作紅外探測和電子自旋的原型器件。

  主題背景

  量子效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一。到目前為止,已經有四個諾貝爾獎與其直接相關。

  然而,一百多年來,科學家對量子霍爾效應的研究一直停留在二維體系,從未涉足三維領域。

  早在130多年前,美國物理學家霍爾就發現,當給帶電導體施加垂直於電流方向的磁場時,電子的運動軌跡會發生偏轉,在導體的縱向會產生電壓。這種電磁現象就是「霍爾效應」。如果把電子限制在二維平面內,在強磁場的作用下,電子可以在導體邊緣做一維運動,變得「規則」「有序」。

  但之前的實驗已經證明,量子霍爾效應只能發生在二維或準二維系統中。"例如,這個房間除了上表面和下表面之外,中間還有一個空間."秀賢用手比劃了一下。我們知道,在「天花板」或「地面」上,電子可以沿著「邊界線」有序有規律地運動,一個向前,一個向後,就像兩輛火車在各自的軌道上疾馳。那麼,在三維空間裡呢?

  三維系統中是否存在量子霍爾效應?如果有,電子的運動機制是什麼?

  當房子傾斜時,發現它來自外軌道的運動機制。

   「當我們在砷化鎘納米片中看到這一現象時,我們感到震驚。量子霍爾效應怎麼會出現在三維系統中?」2016年10月,當修法顯和他的團隊首次用高質量的三維砷化鎘納米片觀測到量子霍爾效應時,他們像看到一輛汽車飛向空中一樣驚訝和高興。

  很快,他們的發現發表在《自然通訊》上。隨後,在樣品製備過程中,借鑑了修法賢團隊已發表的經驗,日本和美國的科學家也在同一系統中觀察到了這種效應。遺憾的是,基於當時的實驗結果,實際的電子運動機制並不清楚。

  課題組提出了他們的猜想:一種可能的方式是從上表面穿越到下表面,電子垂直移動;另一種可能是電子在上下表面獨立形成量子霍爾效應,也就是在兩個二維系統中。

  課題組決定打破砂鍋問到底。但是面對一個千分之一頭髮絲大小的實驗材料,移動速度快如閃電,這個實驗我們該怎麼辦?起初,他們不知道怎麼做。

   「我們把『房子』放錯地方了!」實驗材料雖小,但靈感可以來自日常生活。

  修仙課題組想出了一個辦法。他們創新性地使用楔形樣品實現可控厚度變化。當屋頂傾斜時

  通過測量量子霍爾平臺的磁場,可以由公式計算出量子霍爾步長。發現電子的軌道能量直接受樣品厚度的影響。這說明隨著樣品厚度的變化,電子的運動時間也發生變化。因此,電子是相對於樣品厚度縱向移動的,其隧穿行為已被證明。

   「電子在上表面行進四分之一圈,穿過下表面,完成另一個四分之一圈,然後穿過回到上表面,形成半閉環。這種隧穿行為也是非耗散的,因此可以保證電子在整個迴旋運動中仍然是量子化的。」修賢說,整個軌道是一個三維的「外軌道」,這是砷化鎘納米結構中量子霍爾效應的來源。

  至此,三維量子霍爾效應的奧秘終於被揭開了。

  全文重點

  基於三維拓撲半金屬材料Cd3As2,發現了一種新型的量子霍爾效應,認為三維量子霍爾效應來自外層軌道。

  使用楔形Cd3As2納米片,發現樣品的厚度極大地調節了量子霍爾輸運。

   Langmuir能級對磁場強度和方向以及樣品厚度的依賴性與理論預測一致。

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