薛其坤院士首次发现量子反常霍尔效应
发布时间: 2013-04-11

 

     薛其坤院士领衔的中国科研团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应,并将该成果3月15日在《科学》杂志在线发表。
    量子反常霍尔效应是一个全新的量子效应,被认为有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员;加之其在应用方面的重要性,因此,从理论研究和实验上实现量子反常霍尔效应,成为凝聚态物理学家追求的目标。然而反常霍尔效应的量子化需要材料的性质同时满足三项非常苛刻的条件,这就如同要求一个人同时具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度和体操运动员的灵巧:材料的能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态,即一维导电通道;材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应;材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献,只有一维边缘态参与导电。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度,而要同时满足这三点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战,美国、德国、日本等科学家由于无法在材料中同时满足这三点而未取得最后的成功。
   自2009年起,在薛其坤院士的带领的科研团队开始向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。在过去近四年的时间里,团队生长和测量了超过1000个样品,一步步克服了重重障碍。团队利用分子束外延的方法生长了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜,将其制备成输运器件并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。他们发现在一定的外加栅极电压范围内,此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~ 25800欧姆。