三維量子霍爾效應(yīng)
原標(biāo)題:重大突破!復(fù)旦大學(xué):首次觀測到三維量子霍爾效應(yīng)
復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢課題組在拓?fù)浒虢饘偕榛k納米片中觀測到了由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應(yīng)的直接證據(jù),,邁出了從二維到三維的關(guān)鍵一步,。
北京時(shí)間12月18日零點(diǎn),相關(guān)研究成果以《砷化鎘中基于外爾軌道的量子霍爾效應(yīng)》(“Quantum Hall effect based on Weyl orbits inCd3As2”)為題在線發(fā)表于《自然》(Nature,, DOI:10.1038/s41586-018-0798-3,。)
對于這次成果的誕生,修發(fā)賢覺得,在砷化鎘的研究方面,這才剛剛開始,?!斑@是一個(gè)作品,,我們第一次提出了新的機(jī)制,也得到了認(rèn)可,。但還有可以深挖的,,還有更具體的東西,,我想得繼續(xù)做細(xì)做好,。這次我們發(fā)現(xiàn)了三維量子霍爾效應(yīng),為今后的進(jìn)一步科研探索提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),。另外,,在應(yīng)用方面這個(gè)材料體系具有非常高的遷移率,電子的傳輸和響應(yīng)很快,,可以在紅外探測,、電子自旋方面做一些原型器件。
課題背景
量子霍爾效應(yīng)是20世紀(jì)以來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一,,迄今已有四個(gè)諾貝爾獎與其直接相關(guān)。
但一百多年來,,科學(xué)家們對量子霍爾效應(yīng)的研究仍停留于二維體系,,從未涉足三維領(lǐng)域。
早在130多年前,,美國物理學(xué)家霍爾就發(fā)現(xiàn),,對通電的導(dǎo)體加上垂直于電流方向的磁場,電子的運(yùn)動軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn),,在導(dǎo)體的縱向方向產(chǎn)生電壓,,這個(gè)電磁現(xiàn)象就是“霍爾效應(yīng)”。如果將電子限制在二維平面內(nèi),,在強(qiáng)大的磁場作用下,,電子的運(yùn)動可以在導(dǎo)體邊緣做一維運(yùn)動,變得“講規(guī)則”“守秩序”,。
但以往的實(shí)驗(yàn)證明,,量子霍爾效應(yīng)只會在二維或者準(zhǔn)二維體系中發(fā)生?!氨热缯f這間屋子,,除了上表面、下表面,,中間還存在一個(gè)空間,。”修發(fā)賢用手上下比劃著,。人們知道,,在“天花板”或者“地面”上,電子可以沿著“邊界線”有條不紊的做著規(guī)則運(yùn)動,,一列朝前,,一列向后,像是兩列在各自軌道上疾馳的列車。那么,,在立體空間中呢,?
三維體系中存在量子霍爾效應(yīng)嗎?如果有,,電子的運(yùn)動機(jī)制是什么,?
把“房子”放歪 發(fā)現(xiàn)來源于外爾軌道的運(yùn)動機(jī)制
“我們在砷化鎘納米片中看到這一現(xiàn)象時(shí),非常震驚,,三維體系里邊怎么會出現(xiàn)量子霍爾效應(yīng),?”2016年10月,修發(fā)賢及其團(tuán)隊(duì)第一次用高質(zhì)量的三維砷化鎘納米片觀測到量子霍爾效應(yīng)的時(shí)候,,就像目睹汽車飛到空中那樣又驚又喜,。
很快,他們的這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了《自然·通訊》上,。隨后,,在樣品制備過程中借鑒了修發(fā)賢團(tuán)隊(duì)前期已發(fā)表的經(jīng)驗(yàn),日本和美國也有科學(xué)家在同樣的體系中觀測到了這一效應(yīng),。但遺憾的是,,基于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)際的電子運(yùn)動機(jī)制并不明確,。
課題組提出了他們的猜想:一種可能的方式是從上表面到下表面的體態(tài)穿越,,電子做了垂直運(yùn)動;另一種可能是電子在上下兩個(gè)表面,,即在兩個(gè)二維體系中,,分別獨(dú)立形成了量子霍爾效應(yīng)。
課題組決定,,打破砂鍋問到底,。但面對千分之一根頭發(fā)絲大小的實(shí)驗(yàn)材料,快如閃電的電子運(yùn)動速度,,這實(shí)驗(yàn)該怎么做,?起初,他們也不知該如何下手,。
“我們把‘房子’放歪了,!”實(shí)驗(yàn)材料雖小,靈感卻可以從日常生活而來,。
修發(fā)賢課題組想了一個(gè)辦法,,他們創(chuàng)新性地利用楔形樣品實(shí)現(xiàn)可控的厚度變化?!拔蓓敱粌A斜了,,房子內(nèi)部上下表面的距離就會發(fā)生變化,。”修發(fā)賢比劃出一個(gè)“橫倒的梯形”,。
通過測量量子霍爾平臺出現(xiàn)的磁場,,可以用公式推算出量子霍爾臺階。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),,電子在其中的運(yùn)動軌道能量直接受到樣品厚度的影響,。這說明,隨著樣品厚度的變化,,電子的運(yùn)動時(shí)間也在變,。所以,電子在做與樣品厚度相關(guān)的縱向運(yùn)動,,其隧穿行為被證明了,。
“電子在上表面走一段四分之一圈,穿越到下表面,,完成另外一個(gè)四分之一圈后,,再穿越回上表面,形成半個(gè)閉環(huán),,這個(gè)隧穿行為也是無耗散的,所以可以保證電子在整個(gè)回旋運(yùn)動中仍然是量子化的,?!毙薨l(fā)賢說,整個(gè)軌道就是三維的“外爾軌道”,,是砷化鎘納米結(jié)構(gòu)中量子霍爾效應(yīng)的來源,。
至此,三維量子霍爾效應(yīng)的奧秘終于被揭開了,。
全文亮點(diǎn)
基于三維拓?fù)浒虢饘俨牧螩d3As2,,發(fā)現(xiàn)一種新型的量子霍爾效應(yīng),認(rèn)為三維量子霍爾效應(yīng)的來源于與外爾軌道,。
利用楔形Cd3As2納米片,,發(fā)現(xiàn)樣品厚度對量子霍爾輸運(yùn)產(chǎn)生極大的調(diào)制。
朗道能級與磁場強(qiáng)度以及方向,,以及樣品厚度的依賴關(guān)系,,與理論預(yù)測符合。
三維量子霍爾效應(yīng)
修發(fā)賢,,于2007年獲得加州大學(xué)河濱分校博士學(xué)位,。2008至2011年在加州大學(xué)洛杉磯分校做博士后研究。2011年擔(dān)任愛荷華州立大學(xué)助理教授,。2012年入選青年千人計(jì)劃,,2013年入職復(fù)旦大學(xué)并獲得優(yōu)青和浦江人才計(jì)劃支持,。
修發(fā)賢課題組主要從事拓?fù)涞依瞬牧系纳L、量子調(diào)控以及新型二維原子晶體的器件研究,。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生長,、物性測量以及量子器件的制備與表征。在二維材料的器件方面主要研究其電學(xué),、磁學(xué)和光電特性,。
在過去的十余年中,在學(xué)術(shù)期刊Nature Materials,, Nature Nanotechnology,, Nature Communications, JACS,, Nano Letters等發(fā)表SCI論文100余篇,。目前工作重點(diǎn)是新型狄拉克材料的生長、量子調(diào)控以及新型二維原子晶體的器件研究,。
> 科技日報(bào)長沙12月16日電 (記者俞慧友)在量子芯片中,,跟超導(dǎo)比特耦合的聲子諧振器,,是連接轉(zhuǎn)換光電信號和執(zhí)行量子邏輯操作的關(guān)鍵部件