科學(xué)家們對量子霍爾效應(yīng)的研究一直停留于二維體系,從未涉足三維領(lǐng)域。近日,穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)用戶復(fù)旦大學(xué)物理系修發(fā)賢教授課題組首先在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破,在拓?fù)浒虢饘偕榛k納米片中觀測到由外爾軌道形成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。12月17日,相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然》期刊。該工作高磁場實(shí)驗(yàn)部分在中國科學(xué)院強(qiáng)磁場科學(xué)中心穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置上完成。?
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,迄今為止已有四個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)(1985,1998,2010和2016年)與其直接相關(guān)。一百多年來,人們研究量子霍爾效應(yīng)有一個(gè)重要前提是必須基于二維體系。拓?fù)浒虢饘倬哂幸粋€(gè)重要特征-費(fèi)米弧表面態(tài),常規(guī)沒有達(dá)到布里淵區(qū)邊界的費(fèi)米面都是閉合的,而拓?fù)浒虢饘俚馁M(fèi)米弧則是一段非閉合曲線。在磁場下,普通能帶的電子在倒空間會沿著費(fèi)米面截面的閉合曲線做回旋運(yùn)動,而對于費(fèi)米弧而言,其兩個(gè)端點(diǎn)最終連接的是體態(tài)的外爾點(diǎn),因此正常情況下不會形成回旋軌道。2017年,修發(fā)賢課題組利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置在砷化鎘納米片觀測到量子霍爾效應(yīng),發(fā)表于自然通訊(Nature Communications 8, 1272 (2017))。由于當(dāng)時(shí)研究磁場強(qiáng)度(20T)相對較低,該效應(yīng)中的三維特性仍缺乏直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。?
強(qiáng)磁場中心張警蕾副研究員等人,通過不斷改進(jìn)測試方案,克服了水冷磁體噪聲大、微納器件容易損壞、測試效率低等困難,成功在更強(qiáng)的磁場下實(shí)現(xiàn)了對微納器件電輸運(yùn)性質(zhì)的高精測量。得益于更高的研究磁場條件,修發(fā)賢課題組研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地進(jìn)一步利用楔形樣品實(shí)現(xiàn)可控的厚度變化,這樣外爾軌道在不同厚度區(qū)域發(fā)生隧穿所需時(shí)間不同,導(dǎo)致對應(yīng)軌道狀態(tài)發(fā)生變化。通過測量對應(yīng)的量子霍爾電阻,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)回旋軌道能量能直接受到樣品厚度的調(diào)控,這和常規(guī)基于二維表面態(tài)的量子霍爾效應(yīng)完全不同。同時(shí),通過改變磁場方向,發(fā)現(xiàn)軌道能量也受到磁場和晶向相對位置的影響,打破了二維體系應(yīng)該具有的鏡面對稱性?;谶@兩個(gè)重要證據(jù),實(shí)驗(yàn)成功證明了砷化鎘納米結(jié)構(gòu)中的量子霍爾效應(yīng)來源于三維的外爾軌道。?
這種新型外爾軌道量子霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的理論機(jī)制是由于兩個(gè)表面的回旋部分符合正常量子霍爾效應(yīng)所需的二維回旋,同時(shí)垂直方向的隧穿過程是基于外爾半金屬特有的手性朗道能級,可以提供一個(gè)無耗散的通道,從而沒有破壞原有的量子化邊界態(tài)。另一方面,外爾軌道里特有的隧穿過程進(jìn)一步提供了一個(gè)通過厚度調(diào)控電子態(tài)相位和能量的機(jī)制,使得這種新型三維量子霍爾效應(yīng)具有更豐富的研究前景。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然》(Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0798-3)期刊。?
本工作強(qiáng)磁場科學(xué)中心實(shí)驗(yàn)部分得到了中國科學(xué)院合肥大科學(xué)中心高端用戶培育基金、中國科學(xué)院青年促進(jìn)會等項(xiàng)目的大力支持。?
文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-018-0798-3。?
?圖1 基于外爾軌道的三維量子霍爾效應(yīng)物理機(jī)制
?圖2 Cd3As2強(qiáng)磁場下的量子霍爾效應(yīng)