《科学》刊文评述量子反常霍尔效应实验发现
4月12日出版的《科学》杂志发表了一篇题为“完整的量子霍尔三重奏”的文章，作者是美国新泽西州立大学物理和天文学系的教授吴先生，文章发表在“观点”专栏中。文章由清华大学薛其昆院士领衔。由清华大学物理系和中国科学院物理研究所联合组成的实验小组对首次在实验中观察到的量子反常霍尔效应以及先前在磁掺杂拓扑绝缘体薄膜中发现的量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应进行了评论。
完整的量子大厅家庭三重奏
申西克哦
在没有外加磁场的情况下对量子霍尔态的实验观察最终使人们能够完全发挥量子霍尔效应的三重效应。
当电流在导体薄板中流动时，如果施加垂直于薄板平面和电流方向的磁场，电荷将在导体薄板中垂直于电流方向的边缘积累，产生横向电压VT。这种效应是埃德温·霍尔在1879年发现的，被称为霍尔效应。由于横向电阻(也称为霍尔电阻)被定义为伏安特性，并与磁场强度成正比(磁场强度，其中磁场强度是样品中载流子的面密度)，霍尔效应被广泛用于测量导电材料中载流子的类型(电子类型或空穴类型)、浓度和迁移率。然而，在20世纪80年代，人们发现当载流子被限制在二维平面上时，在一定的外加磁场下，霍尔电阻变成了精确的常数h/(ve2)，其中H是普朗克常数，E是电子电荷，V是正整数。这种现象称为量子霍尔效应，它的实现必须有外部磁场的存在。在本期第167页，常翠祖(注:常翠祖是清华大学物理系博士生)和其他人报道，在磁拓扑绝缘体薄膜中，即使没有外部磁场，横向电阻的精确量子化也能发生。这个结果证实了期待已久的量子反常霍尔效应的存在，它是量子霍尔家族的最后一个成员(如图所示)。
量子霍尔家族(括号中的数字表示相应效应发现的年龄)。h代表外加磁场的强度，m代表自发磁化。在这三种量子霍尔效应中，电子沿着边缘移动而没有耗散，材料内部是绝缘的。霍尔测量是测量一个方向的“净”电荷。对于量子霍尔效应(左)，边缘不同自旋方向的电子向一个方向移动。对于量子自旋霍尔效应(中)，不同自旋方向的电子有不同的运动方向。在量子反常霍尔效应中(右边)，只有自旋向下的电子沿着边缘移动。自旋和电荷运动方向的“锁定”机制以及边缘通道的数量取决于材料本身，这里仅说明最简单的情况。
在发现量子霍尔效应后不久，人们意识到这种量子化是由于导体内部在外部磁场下完全绝缘，只有一维传导通道在其边缘没有耗散。没有耗散的一维传导通道的数量是整数值V。在这种情况下，电子只能沿着一侧在一个方向上移动，并且不能被散射到被绝缘体分开的导体的另一侧，因为只有另一侧可以在相反的方向上移动。当横向电阻被量化时，纵向(电荷流动方向)的电阻将完全为零。
当人们对量子霍尔效应的理解逐渐成熟时，问题就自然产生了:没有外部磁场，这种非耗散的边缘态能存在吗？1988年，一位理论家预测这种边缘状态可能存在于二维晶格中。经过近20年的探索，这种在没有外部磁场的情况下也能存在的非耗散边缘态首次在碲镉汞量子阱材料中被发现。然而，由于缺乏迫使电流沿单一方向流动的外部磁场，这种材料同时存在顺时针和逆时针边缘状态。由于重元素中强自旋轨道耦合相互作用，电流方向由电子的自旋方向决定(自旋向上或自旋向下)。这种现象就是量子自旋霍尔效应，即自旋霍尔效应的量子化。
如果量子自旋霍尔系统中一个方向的自旋通道可以被抑制，例如被铁磁性抑制，这自然会导致量子反常霍尔效应。铁磁导体中的霍尔电阻由与磁场成正比的正常霍尔效应部分和与材料磁化成正比的异常霍尔效应部分组成。量子反常霍尔效应是指反常霍尔效应的量子化。量子自旋霍尔效应的发现极大地推动了量子反常霍尔效应的研究进展。先前的理论预测指出，量子反常霍尔效应可以通过抑制碲镉汞系统中的自旋通道来实现。不幸的是，铁磁性尚未在这种材料系统中实现，即量子反常霍尔效应无法实现。后来的理论预测指出，如果拓扑绝缘体材料Bi2 Se3变薄并进行磁掺杂，就有可能实现量子霍尔电阻为h/(ve2)的量子反常霍尔效应。常翠祖等人通过实验证实了这一理论预测。
常翠祖等人需要克服一系列非常困难的物质问题。量子反常霍尔效应要求完全抑制材料的体导电和表面导电通道。由上述理论预测的Bi2 Se3体系由于不可避免的Se空位缺陷导致的高电子掺杂浓度，不能满足实现量子反常霍尔效应的要求。为了避免这个问题，他们选择了(Bix Sbx)2 Te3系统。在这个系统中，通过改变Sb的x分量，他们可以将费米能级调整到铁磁能隙中的电荷中性点。通过进一步优化材料的各种参数，最终实现了无外加磁场的量子化霍尔电阻。
他们观察到的量子反常霍尔效应本质上非常稳定。首先，为了避免自旋翻转散射的影响，量子自旋霍尔效应的观测需要小尺寸的样品，而量子反常霍尔效应可以在几百微米量级的宏观尺度上实现。其次，令人惊讶的是，这种严格的量子化可以在具有相对低迁移率和非零体导电沟道的材料中实现。这些都表明，量子反常霍尔效应比量子自旋霍尔效应更稳定，可以与量子霍尔效应相匹配，甚至具有更强的适应性。
观察到的量子反常霍尔效应的严格量子化和非耗散通道的存在可用于许多应用。例如，这种边缘状态可以用作自旋电子器件的非耗散自旋过滤通道。无外磁场的精确霍尔电阻可以方便地用作电阻标准。然而，现在谈论这些应用还为时过早。这是因为:现有材料体系的铁磁居里温度仍然很低，而且材料在其他方面也不令人满意，所以量子反常霍尔效应只能在很低的温度下观察到。然而，通过材料上的突破，你可能会发现量子反常霍尔效应将广泛应用于我们每天使用的移动电子设备。