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[NSR Review] 薛其坤——量子反常霍尔效应

已有 7738 次阅读 2014-3-14 10:40 |个人分类:国家科学评论|系统分类:论文交流| 综述, NSR, 量子反常霍尔效应

Quantum anomalous Hall effect

http://nsr.oxfordjournals.org/content/1/1/38.abstract HOT^~~

由清华大学物理系薛其坤教授担任通讯作者的综述文章Quantum anomalous Hall effect (译名：量子反常霍尔效应)已在National Science Review（NSR）2014年3月份的创刊号上发表。

这篇文章介绍了量子反常霍尔效应的概念、理论发展及其在实验上的实现。尤其着重介绍了如何通过对拓扑绝缘体薄膜的性质调控逐步逼近量子反常霍尔效应。

早在1879年发现的霍尔效应是自然界最基本的电磁现象之一^[1]。一百多年来，物理学家在不同的材料中陆续发现了多种不同的霍尔效应：如普通导体中的正常霍尔效应，磁性材料中出现的反常霍尔效应，半导体材料中的自旋霍尔效应^[1-4]。这些发现不但大大丰富了霍尔效应的内涵，还加深了人们对固体电子性质的理解^[2]。20世纪80年代整数和分数量子霍尔效应的发现使人们开始利用数学中拓扑的概念用来理解物质形态，为凝聚态物理带来了巨大的概念突破，因此分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理奖，并发展成为凝聚态物理中的一个重要研究方向^[5-7]。

量子反常霍尔效应是磁性材料中反常霍尔效应的量子化版本，是一种不需要外磁场就可以实现的量子霍尔效应。这种量子效应不但是很多新奇拓扑量子现象实现的基础，也是量子霍尔效应能够走向应用的关键^[8]。从理论研究和实验上实现量子反常霍尔效应，是多年来凝聚态物理学家追求的目标^[8-14]。2013年由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中科院物理所和斯坦福大学研究人员在美国《科学》杂志发表论文，报道了他们在首次在实验上观测到量子反常霍尔效应的工作(图1)^[15]。这是凝聚态物理一次重大的实验突破，也是中国科学家为此领域做出的一次重大贡献。

图1 实验观测到的量子反常霍尔效应（测量在30 mK温度下进行）。左图：霍尔电阻随磁场的变化；右图：零磁场下霍尔电阻（蓝）和纵向电阻（红）随栅极电压的变化[15]。

在此篇综述中，薛其坤院士及其合作者从最基本的霍尔效应开始，逐步介绍了各种霍尔效应及其对应的量子化效应的实验现象和物理内涵，尤其着重阐释了电子能带结构的拓扑性质对几种霍尔效应中所起的关键作用。在此基础上他们介绍了量子反常霍尔效应的概念的提出历史和理论发展。拓扑绝缘体是最终量子反常霍尔效应最终得以实验实现的基础材料^[16,17]。这篇文章详细介绍了拓扑绝缘体的概念和其在真实材料中的实现，以及在拓扑绝缘体薄膜中实现量子反常霍尔效应的条件。随后，文章详细介绍了薛其坤院士所带领的研究团队如何结合分子束外延、扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱和输运测量等多种研究手段的结合制备出高质量的拓扑绝缘体薄膜，并通过能带工程、化学势调控、磁性掺杂等方式调控其电子能带结构、磁性和输运性质，最终实现量子反常霍尔效应。文章最后还对量子反常霍尔效应的重要科学意义和应用前景进行了阐述。

量子反常霍尔效应的实现为量子效应的实际应用开辟了一条道路。绝大部分量子效应只有在在微观尺度才能出现，因此其奇特的性质很难在实际器件中得以应用。量子霍尔效应利用电子结构的拓扑性质使其边缘态电子可以在宏观尺度保持其量子力学特征，尤其是无能耗的性质，这为量子器件的实现带来了希望。然而由于传统量子霍尔效应需要强磁场、极低温、高载流子迁移率样品才能出现，因此很难真正得到应用。量子反常霍尔效应是一种不需要强磁场、高迁移率样品，甚至原则上不需要低温就可以出现的量子霍尔效应，因此它有希望成为第一种在日常环境下（无磁场、大尺度、室温）可以应用的量子效应。

该工作在科技部973项目（2013CB921702、2009CB929400）、国家自然科学基金（11174343、11134008、11025419、11021464）以及教育部、中国科学院的支持。

引文列表：

[1] Hall E H 1879 Am. J. Math. 2 287

[2] Hall E H 1881 Philo. Mag. 12 157

[3] Nagaosa N, Sinova J, Onoda S, MacDonald A H and Ong N P 2010 Rev. Mod. Phys. 82 1539

[4] Dyakonov M I and Perel V I 1971 Phys. Lett. A 35 459

[5] Klitzing K V, Dorda G and Peper M 1980 Phys. Rev. Lett. 45 494

[6] Tsui D C, Stormer H L and Gossard A C 1982 Phys. Rev. Lett. 48 1559

[7] Avron J E, Osadchy D and Seiler R, 2003 Phys. Today 56 38

[8] Haldane F D M 1988 Phys. Rev. Lett. 61 2015

[9] Onoda M and Nagaosa N 2003 Phys. Rev. Lett. 90 206601

[10] Qi X L, Wu Y S and Zhang S C 2006 Phys. Rev. B 74 085308

[11] Liu C X, Qi X L, Dai X, Fang Z and Zhang S C 2008 Phys. Rev. Lett.101 146802

[12] Qi X L, Hughes T L and Zhang S C 2008 Phys. Rev. B 78 195424

[13] Yu R, ZhangW, Zhang H J, Zhang S C, Dai X and Fang Z 2010 Science 329 61

[14] Nomura K and Nagaosa N 2011 Phys. Rev. Lett. 106 166802

[15] Chang C Z, Zhang J, Feng X, Shen J, et al., 2013 Science 340 167

[16] Hasan M Z and Kane C L 2010 Rev. Mod. Phys. 82 3045

[17] Qi X L and Zhang S C 2011 Rev. Mod. Phys. 83 1057

通讯作者简介: 薛其坤,1984年毕业于山东大学光学系激光专业，1994年在中国科学院物理研究所获得博士学位。1992年至1999年先后在日本东北大学金属材料研究所和美国北卡莱罗纳州立大学物理系学习和工作。1999年至2007年任中国科学院物理研究所研究员、课题组组长，1999年至2005年任表面物理国家重点实验室主任。2005年起任清华大学物理系教授，同年11月被增选中国科学院院士。2010年至2013年任清华大学理学院院长、物理系主任，2011年起任低维量子物理国家重点实验室主任，2013年5月起任清华大学分管科研的副校长。他是国际著名期刊Surface Science Reports、Physics Review B、Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics和 AIP Advances等的编委，Nano Research和Surface Review & Letters的主编。薛其坤是国际著名的实验物理学家，其主要研究方向为扫描隧道显微学、表面物理、自旋电子学、拓扑绝缘量子态、低维超导电性等。发表文章360余篇，包括5篇Science，9篇Nature子刊, 31篇Physical Review Letters, 被引用超过7400余次。在国际会议上应邀做大会/主题/特邀报告100余次，其中五次在美国物理学会年会做邀请报告。曾获何梁何利科学与进步奖（2006）、国家自然科学二等奖（2005、2011）、第三世界科学院物理奖（2010）、求是杰出科技成就集体奖（2011）、陈嘉庚科学奖（2012）和“万人计划”杰出人才（2013）等奖励与荣誉。