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来源:中国科学技术大学 发布光阴:2019/5/15 9:16:49
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《自然》:中国科大初次观测到三维量子霍尔效应

 

从八十年月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外一个驰名微观量子现象在凝集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,超出了Landau根据对称性破缺实践对物质分类的传统模范,为比年的拓扑物态与拓扑资料的疾速睁开奠基了基础。

量子霍尔效应是否只存在于二维体系?这个基础成就从二维量子霍尔效应发现后不久即引起领域的存眷。早在1987年,Bertrand Halperin从实践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,对资料体系与测量手腕的请求都非常高;尽管已有诸多尝试,试验上仍缺乏可信的观测证据。

合肥微尺度物质科学国度研究中央国际功效资料量子计划中央(ICQD)和物理系的乔振华传授与南边科技大学张立源传授、新加坡科技计划大学杨声远传授、美国佛罗里达州立大学的杨昆传授、麻省理工学院的Patrick A. Lee传授和布鲁海文国度试验室的Genda Gu传授等实践与试验合作,在碲化锆(ZrTe5)块体单晶体资料中初次观测到三维量子霍尔效应的明白证据,并指出该效应可能是因为磁场下互相感化发生的电荷密度波诱导的。这一重要研究效果5月9日在线发表在国际权势巨子学术期刊《自然》上。

图1:三维量子霍尔效应及电荷密度波示用意。因为磁场效应,体内电子在面内的运动构成朗道能级,如上方圆圈所示。在仅有一个Landau能级被占据的量子极限下,更强的电子关联效应导致电荷密度波的构成,并进而使得体系转化为三维量子霍尔绝缘体。

在层状碲化锆资料中,垂直磁场的出现使得体内电子在垂直磁场的平面中构成朗道能级,如图1正上方的圆圈所示;而在侧界限,存在手性传输的电流。在垂直磁场的平面内,界限电子构成单向传输的边缘态,如图1最上层的侧边所示。发生该效应的关键是电子之间的关联感化导致电荷密度波的构成。还二维还是三维量子霍尔效应,体系的体相都必需是绝缘的。对付三维体系,因为沿着磁场偏向的电子运动不受磁场影响,一个初始的金属态在弱电子关联效应下是无法变成绝缘体的。而当体系进入仅有一个Landau能级被占据的量子极限地区,电子之间的关联效应大大增强,导致费米面的不稳固。其结果是构成为了一种独特的量子态—电荷密度波,即电子的密度沿着磁场偏向以一定的周期振荡,全体别系转化为三维量子霍尔绝缘体。

图2:a: ZrTe5的晶格布局。b:试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特性。c: 三维量子霍尔现象

碲化锆是一种各向异性较强的三维层状资料,如图2(a)所示。碲原子和锆原子沿着x偏向构成一维原子链,该原子链沿着y偏向堆叠为一层,xy面内的原子层再沿着z偏向堆叠成为体资料。费米面的形状尽管存在各向异性,但还是一个封闭的椭球面,如图2(b)所示,所以全体别系仍为三维体系。

当沿着z偏向施加磁场时,该研究团队在试验上观测到一系列电阻振荡。特别重要的是,当体系进入量子极限地区时,纵向电阻为零,而霍尔电阻的数值和z偏向的费米波矢相干联,如图2(c)所示。这一独特行为,与Halperin在1987年预言的三维量子霍尔效应的特征完全同等。

综上所述,这一工作终于将阅历了30余年等待的三维量子霍尔效应这一预言展现于世人眼前。在这个效应中,因为维度的分歧,现象面前的微观物理机制也展现其新颖与迷人的方面。该发现有望为未来的凝集态物理的睁开注入新的活气。

南边科技大学张立源传授、中国科学技术大学乔振华传授和新加坡科技计划大学杨声远传授为本文的共同通讯作者;南边科学技术大学博士生汤方栋和中国科学技术大学物理系博士生任亚飞为共同第一作者。

上述研究取得了国度自然科学基金委、科技部、中组部、中科院和安徽省的帮助。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1180-9

 
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