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1、2014年第59卷第35期：3431~3441《中国科学》杂志社评述拓扑绝缘体与未来信息技术www.scichina.comcsb.scichina.comSCIENCECHINAPRESS拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应*何珂,王亚愚,薛其坤清华大学物理系,低维量子物理国家重点实验室,北京100084*联系人,E-mail:kehe@tsinghua.edu.cn2014-09-09收稿,2014-10-11接受,2014-11-10网络版发表国家自然科学基金(11174343,11134008)和科技部重大科学研究计划(2012CB921300)资助摘要量子霍尔效应是
2、一种可以在宏观尺度出现的量子现象,由二维电子系统在强磁场下关键词所具有的独特拓扑性质所引起.长期以来人们一直希望能够实现不需外磁场的量子霍尔效量子反常霍尔效应应,以便将其应用于低能耗电学器件.磁性拓扑绝缘体薄膜可能具有的量子化的反常霍尔量子霍尔效应效应即是一种可以在零磁场下出现的量子霍尔效应.本文介绍了拓扑绝缘体和量子反常霍拓扑绝缘体磁性掺杂尔效应的概念发展及量子反常霍尔效应如何在磁性掺杂拓扑绝缘体中实验实现,并探讨了量子反常霍尔效应在低能耗器件方面的应用前景.霍尔效应是自然界最基本的电磁现象之一.将一个通电的导体置于垂直于电流方向的磁场中,在同时垂直于磁场和电流方向
3、的导体两端会测到一个电压,这个效应于1879年由美国物理学家霍尔[1](EdwinHerbertHall)首次发现,被称为霍尔效应.霍尔效应的大小由霍尔电阻来衡量,即所测得的横向电压(也被称为霍尔电压)与电流的比值.普通非磁图1(网络版彩色)量子霍尔效应(a)和量子反常霍尔效应(b)导体的霍尔效应是由运动电荷在磁场中所受到的洛示意图伦兹力所引起,霍尔电阻一般正比于磁场的大小,比值的正负和大小分别由导体载流子的极性和浓度决效应被称为量子霍尔效应[2].值得注意的是,量子霍定,也被称为正常霍尔效应(ordinaryHalleffect,尔效应在几毫米尺寸的样品中依然可以观
4、测到,是OHE).约一个世纪后,德国物理学家冯·克利青一种宏观尺度的量子现象.处于量子霍尔态的电子(KlausvonKlitzing)在研究半导体异质界面处的二维可以在宏观距离保持无能耗的运动.量子霍尔效应导电层(称为二维电子气,two-dimensionalelectron中霍尔电阻可以达到非常精确的量子化数值,且对gas)在低温、强磁场环境下的电输运性质时发现,其样品的尺寸、杂质等因素不敏感,因此可以用它来精霍尔电阻在超过1T的强磁场下偏离与磁场的线性关确标定电阻单位欧姆以及精细结构常数的数值.系,呈现出阶梯形状(见图1(a)).每个阶梯平台所对[3]1982年,
5、Tsui等人在更高迁移率的III-V族化2应的电阻值精确满足h/e,其中h为普朗克常数,e合物半导体界面的二维电子气样品中发现为某些分为电子电量,为一个整数.对应于每个平台,四端法数取值的量子霍尔效应,被称为分数量子霍尔效应.测得的纵向电阻会降至零,说明电子输运是无能耗整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现,分的.以上现象表明这是一种量子力学效应,所以这个别于1985和1998年获得诺贝尔物理学奖.它们的重引用格式:何珂,王亚愚,薛其坤.拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应.科学通报,2014,59:3431–3441HeK,WangYY,XueQK.Topologi
6、calinsulatorandthequantumanomalousHalleffect(inChinese).ChinSciBull(ChinVer),2014,59:3431–3441,doi:10.1360/N972014-009382014年12月第59卷第35期要性在于向人们揭示了一类全新的物质形态:拓扑[4,5]量子物态.拓扑是数学上的一个概念.例如,一个面包圈上有一个洞,这个洞的存在使得面包圈的表面无法通过连续、平滑的变化变成一个像橙子一样没有洞的物体的表面.洞的数目就是区别二维封闭表面的一个拓扑特征.拓扑特征对细节和连续变化不敏感.材料的性质主要由其电
7、子能带结构决定.如果能在一个材料的电子能带结构中找到类似的拓扑特征,就有可能获得随材料的缺陷、杂质等细节不敏感的物理性图2拓扑边缘态/表面态示意图(a)量子霍尔效应/量子反常霍尔效应的手性边缘态;(b)量子自旋霍尔质或量子态.效应的螺旋性边缘态;(c)三维拓扑绝缘体的狄拉克表面态.(a),(b)中金属性的二维电子气在垂直方向强磁场作用下,长箭头代表电流方向,短箭头代表自旋方向;(c)中箭头代表自旋方向电子会呈现局域的回旋运动.同时其准连续能带也会转变为分立的朗道能级,当费米能级处于朗道能这个模型基于单原子层石墨的二维六角蜂窝型晶格,级之间时,系统就成
