原文已發表在CPL Express Letters欄目
Received 8 June 2018; online 9 June 2018
量子反常霍爾效應多層結構的
實驗實現
量子反常霍爾效應是一種無需外加磁場的量子霍爾效應。它不但可以用來構建多種新奇拓撲量子物態，還是量子霍爾效應在電子學器件中實際應用的關鍵。早在1988年，量子反常霍爾效應就由霍爾丹（F. D. M. Haldane, 2016年諾貝爾物理學獎獲得者）理論預言。直到2012年底，由清華大學和中國科學院物理研究所薛其坤等人的團隊在磁性拓撲絕緣體薄膜中實驗發現。目前人們觀測到的量子反常霍爾效應都具有一個量子電阻h/e2(h為普朗克常數，
e為電子電量)的平臺，這意味著在每個邊緣只具有一條無耗散量子通道。傳統量子霍爾系統可以在不同磁場下呈現高階量子霍爾效應，即具有多條無耗散量子通道。實現具有多個量子通道的高階量子反常霍爾效應不但是一個重要的物理問題，還可以推進量子反常霍爾效應在低能耗電子器件和芯片互連中的應用。然而，儘管已出現了幾個理論預言，這種高階量子反常霍爾效應一直未能實驗實現。清華大學何珂、王亞愚、薛其坤研究團隊的姜高源、馮洋等通過生長磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜和CdSe(0001)薄膜的多層結構，首次在實驗上實現了高階的量子反常霍爾效應。CdSe是一種能隙高達1.74 eV的正常絕緣體，其(0001)面具有和可顯示量子反常霍爾效應的磁性摻雜(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體相近的晶格常數。該團隊利用分子束外延方法在Cr、V共摻雜(Bi,Sb)
2Te3量子反常霍爾效應薄膜上製備出了高質量的CdSe單晶薄膜，發現其與磁性拓撲絕緣體形成了良好的外延關係。不僅如此，他們發現拓撲絕緣體層的體能隙完全處於CdSe體能隙之內，二者可以構成I類量子阱結構。他們利用分子束外延方法生長出磁性拓撲絕緣體和CdSe的超晶格結構，並觀測到樣品在零磁場下的霍爾電阻呈現h/Ne2(N為磁性拓撲絕緣體層數)的平臺，這清楚表明了高階量子反常霍爾效應的實現。此項研究不但標誌著一個等效的高陳數量子反常霍爾效應系統的首次實驗實現，還為構築其他新奇拓撲相奠定了基礎。例如，通過對這種量子反常霍爾多層結構層厚的調控可以實現僅具有一對外爾點的磁性外爾半金屬，這種物質相對外爾半金屬相關研究至關重要，但直到現在還未能獲得一種可以得到實驗完全確認的該種材料。此外，在量子反常霍爾效應雙層結構還可以探索類似量子霍爾雙層結構中激子凝聚、庫侖拖曳等和電子關聯相關的現象。
這種多通道量子反常霍爾系統還可以有效降低在電極“熱點”處的能量耗散，這對於量子霍爾態在低能耗電子器件中的應用有重要意義。 在分子束外延生長的Cr、V共摻雜的(Bi,Sb)2Te3（CVBST）與CdSe超晶格中觀測到的不同階數的量子反常霍爾效應。圖(a)-(d)分別對應CVBST層數由1到4的樣品的測量結果，藍色曲線為霍爾電阻，紅色曲線為縱向電阻。
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CPL | Express Letter
Cite:Chin. Phys. Lett.35 077401 (2018)
相關文獻
Interface-Induced High-Temperature Superconductivity in Single Unit-Cell FeSe Films on SrTiO3
Cite:Chin. Phys. Lett.29 037402 (2012)
Times Cited: 441
CPL Express Letters欄目簡介
為了吸引高質量論文、保證重要研究成果的首發權，CPL於2012年6月開設了Express Letters欄目。此欄目目前已發表文小剛、趙忠賢、薛其坤、潘建偉等著名學者的優秀論文43篇，平均發表週期為3-4天。欄目2016年的影響因子為10.57，篇均被引11.72次，已經在國內物理學界建立起良好口碑與聲望，來稿數量不斷增加。
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