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[材料资讯] 张立源课题组Nature:实验证实三维量子霍尔效应

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发表于 2019-5-15 07:46:27 | 显示全部楼层 |阅读模式

2019年5月8日,国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)发表了主要由南方科技大学物理系和中国科学技术大学物理学院共同完成的题为“Three-dimensional quantum Hall effect and metal-insulator transition in ZrTe5”的研究论文,实验证实了哈佛大学理论物理学家Bertrand Halperin在1987年给出的关于三维电子气体系中量子霍尔效应的理论预测。南科大物理系副教授张立源、中国科大教授乔振华和新加坡技术和设计大学教授杨声远为共同通讯作者;美国布鲁克海文国家实验室、佛罗里达强磁场实验室、麻省理工学院、新加坡技术和设计大学为共同参与单位。

在凝聚态物理学中,对于对称性、相互作用、拓扑性以及维度(或自由度)的理解是永恒的研究课题,也是当前固体物理和器件应用的研究热点。从1980年开始,量子霍尔效应的发现开启了研究物理学中拓扑相变的新时代,也深刻地改变了人们对相变、对称性和相互作用的理解。最近10年来,拓扑量子物态的相关研究已经成为当前凝聚态物理领域最活跃的课题之一。高品质的ZrTe5晶体具有超高的迁移率、超低载流子浓度和多种珍奇的拓扑能带特征,成为了研究三维电子气体系的拓扑量子相变的理想材料之一。

三维量子霍尔效应

三维量子霍尔效应

图1. ZrTe5单晶(Tp ~95K)的(a)降温曲线和(b)三维费米面结构。

对于电阻率反常峰(Tp)在95K左右的ZrTe5样品(图1.a),张立源课题组通过细致的低温量子输运测量,并结合各个轴向的量子振荡分析,得到了非常清晰的费米面拓扑结构(图1.b)。尽管ZrTe5的费米面存在非常强的各向异性,但其本身闭合的费米面结构仍然很好地说明了体系是属于完全的三维系统。

    课题组在低温下的输运测量中,发现了非常明显的量子霍尔平台。通过仔细分析平台量子化电阻值和样品厚度之间的依赖关系,研究组指出,量子霍尔层的周期正好为材料z方向费米波长的1/2,这很好地证明了三维电子气在磁场调制下形成电荷密度波(CDW)结构的物理图像。理论模拟三维电子气在强磁场下的行为,可以清晰看到电子气形成一层一层的量子层结构。此外,z方向的非欧姆性输运行为也给出了CDW存在的有力证据。


在体系进入量子极限后,研究组观测到了非常明显的金属绝缘体相变行为。体系存在一个典型的零温量子临界点,为量子相变,并可以画出体系的电子相图,这些结果为将来研究三维电子气中的电子相互作用效应提供了很好的参考。


张立源表示,这项工作的顺利开展离不开博士生汤方栋、任亚飞,博士后王培培的细致分析和勤奋工作。另一方面,研究过程中的合作、沟通和讨论是必不可少的。现在的科学研究越来越注重团队合作,单靠一个人的努力是不够的,许多人在一起各自发挥优势可以把事情做得更好。张立源说,很幸运能和中国科技大学的乔振华研究组、新加坡技术与设计大学(Singapore University of Technology and Design)的杨声远教授、布鲁克海文国家实验室的顾根大研究组、弗罗里达州立大学和美国强磁场中心的杨昆老师以及麻省理工学院的李雅达(Patrick A Lee)先生一起合作。

可以预见,就像二维量子霍尔效应的发现引起轰动那样,此项研究成果将会开辟一个崭新的三维量子物态的研究领域。值得一提的是,Bertrand Halperin在2019年获得APS Medal for Exceptional Achievement in Research时,专门在获奖报告中将其在1987年关于三维量子霍尔效应的理论预言列为自己的终身成就之一。在得知此次研究团队的实验成果后,他向团队表达了祝贺和肯定,并称赞团队的成果“indeed a very nice discovery”。

此项研究工作得到了广东省创新创业团队计划、深圳孔雀团队、深圳市科创委基础研究(学科布局)项目基金等专项基金的大力支持。


将一块金属或半导体置于一个磁场内,然后通电流,通常在垂直于磁场和电流的方向会产生电压差,这就是许多人了解的霍尔效应。上世纪70年代起,半导体超晶格薄膜生长技术的发展为学界研究二维电子气体系提供了坚实的基础。1980年,德国科学家冯·克利青(Klaus von Klitzing)首次在二维体系里发现了量子霍尔效应,改变了传统学界对相变的理解,并将拓扑的概念引入物理学的研究中。此后近四十年,针对二维体系量子霍尔效应的研究也成了诺贝尔奖等各类重要奖项的常客。


那么,能否在三维体系里观测到量子霍尔效应呢?自1987年Halperin从理论上预测三维电子气中可能存在量子霍尔效应以来的30多年内,世界各地的研究团队开展了多种尝试,试图从实验上实现从二维到三维系统的跨越,然而迄今仍未有确凿的观测证据。

要实现三维量子霍尔效应,就需要达到所谓的极端量子极限条件(Extreme Quantum Limit)。这个实验条件要求异常苛刻,如果选用常用的金属铜块作为研究对象,要施加超过3000特斯拉的磁场才能进入极端量子极限态,而这是当前的实验条件无法提供的。因此,三维量子霍尔效应方向的研究一度处于几乎停顿的状态。

为了满足这项苛刻的条件,张立源团队巧妙地选用了高品质的五碲化锆(ZrTe5)晶体作为研究对象。五碲化锆晶体是一种各向异性较强、三维层状结构的新型拓扑材料。团队利用其所低载流子浓度,超高迁移率的特点,使体系能够在实验条件允许的磁场环境下进入量子极限。另外,为了避免样品的多个电子口袋相互影响,使实验分析复杂化,团队还特意筛选出只有单个电子口袋的样品进行实验。

值得一提的是,拓扑序理论的提出者、美国国家科学院院士文小刚教授专门点评了团队的这一实验发现,称“这一新的实验发现,给了我们一个新的材料体系,其中也能产生拓扑序。”


张立源,男,1975年03月出生,浙江衢州人。2007年在美国佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)获得物理学博士学位,同年被聘为中国人民大学物理系副教授,博士生导 师;现任南方科技大学介观物理实验室负责人;兼美国物理学(APS),Sigma Xi协会会员,微纳电子器件与电输运专家。至今在国际著名学术期刊上先后发表十多篇的重要学术论文,其中包括物理学顶级期 刊《自然物理》2篇,《物理评论快报》2篇,《纳米快报》1篇等。



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