1998年诺贝尔物理学奖——分数量子霍耳效应的发现.doc

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1、1998年诺贝尔物理学奖——分数量子霍耳效应的发现1998年诺贝尔物理学奖授予美国加州斯坦福大学的劳克林(RobertB.Laughlin,195O—),美国纽约哥伦比亚大学与新泽西州贝尔实验室的施特默(HorstL.Strmer,1949—)和美国新泽西州普林斯顿大学电气工程系的崔琦(DanielC.Tsui,1939—),以表彰他们发现了一种具有分数电荷激发状态的新型量子流体,这种状态起因于所谓的分数量子霍耳效应。量子流体早在研究极低温状态下的液氦和超导体时就已有所了解。在这些领域里,已经有好几位物理学家获得过诺贝尔物理学奖

2、。例如,卡末林-昂内斯由于液氦的研究和超导电性的发现获1913年诺贝尔物理学奖;朗道由于液氦和超流理论获1962年诺贝尔物理学奖;巴丁、库珀和施里弗由于提出超导电性的BCS理论获1972年诺贝尔物理学奖;卡皮查由于发现氦的超流动性获1978年诺贝尔物理学奖;柏诺兹和缪勒由于发现高温超导获1987年诺贝尔物理学奖;戴维·李、奥谢罗夫和R.C.里查森则因发现氦-3的超流动性获1996年诺贝尔物理学奖。这么多的物理学家受到如此殊荣,说明凝聚态物理学在20世纪有极大的发展,而低温和超导在这一领域内又具有特殊重要的地位。分数量子霍耳效应正

3、是继高温超导之后凝聚态物理学又一项崭新课题。分数量子霍耳效应是继霍耳效应和量子霍耳效应①的发现之后发现的又一项有重要意义的凝聚态物质中的宏观量子效应。冯·克利青由于在1980年发现了量子霍耳效应而于1985年获得诺贝尔物理学奖。图98-1表示冯·克利青所得霍耳电阻随磁场变化的台阶形曲线。台阶高度等于物理常数h/e2除以整数i。e与h是自然的基本常数——e是电子的基本电荷,h是普朗克常数。h/e2值大约为25kΩ。图中给出了i=2,3,4,5,6,8,10的各层平台。下面带峰的曲线表示欧姆电阻,在每个平台处趋于消失。量子数i也可用

4、填充因子f代替,填充因子f由电子密度和磁通密度确定,可以定义为电子数N与磁通量子数Nφ(=φ/φ0)之比,即f=N/Nφ,其中φ为通过某一截面的磁通,φ0为磁通量子,φ0=h/e=4.1×10-15Vs.当f是整数时,电子完全填充相应数量的简并能级(朗道能级),这种情况的量子霍耳效应叫做整数量子霍耳效应,以与分数量子霍耳效应相区别。 整数效应发现两年后,美国新泽西州姆勒山AT&T贝尔实验室的崔琦和施特默在研究霍耳效应中用质量极佳的砷华为基片的镓样品做实验。样品的纯度是如此之高,以至于电子在里面竟可以像子弹一样运动。也就是说,它在

5、相当长的路程中不会受到杂质原子的散射。为了获得这样的样品,半导体样品要经过“调制”——在传导层旁边的一层特别予以掺杂。他们用的样品是哥萨德(A.C.Gossard)制备的,而哥萨德所用的分子束外延技术则是由周(A.Cho)等人开发的。散射长度在低温下会增大,因此实验要在1K以下和非常强的磁场中进行。在原始的实验中,磁场的强度高达20T。出乎他们意料的是,这一实验所得的霍耳平台相当于填充因子要取分数值。他们最早发表的论文中公布了f=1/3的平台。他们还发现有迹象表明在2/3处也有平台。根据最低朗道能级的粒子-空穴对称性,他们认为可

6、能相当于空穴的1/3填充因子。图98-2中的虚对角线代表经典霍耳电阻,台阶形的实对角线代表实验结果。引起台阶的磁场以箭头标示。请特别注意崔琦和施特默第一次发现的在磁场最高值处的台阶(1/3)和冯·克利青在较弱磁场下发现的一些整数台阶。分数量子霍耳效应的发现使凝聚态物理学界大为惊奇。从来没有人预言过以分数填充的朗道能级有什么特殊值得注意的特性。崔琦和施特默完全知道,与整数量子霍耳效应相反,用忽略电子间相互作用的模型是无法对分数量子霍耳效应作出解释的。他们设想,理解整数效应的论据不能用于这种情况。然而,他们注意到,如果为了某种理由还

7、要用到那些论据,就必须承认有携带分数电荷的准粒子存在,例如当f=1/3时,准粒子所带电荷为e/3。然而,为什么会出现携带分数电荷的准粒子呢?分数量子霍耳效应的发现,是对理论家的严峻挑战。一时间理论方面没有多少进展。贝尔实验室的劳克林则独辟蹊径,他对分数量子霍耳效应作出了出乎人们意料的理论解释。劳克林证明,当电子体系的密度相当于“简单”分数填充因子为f=1/m(m是奇整数,例如f=1/3或1/5)时,电子体系凝聚成了某种新型的量子液体。他甚至提出了一个多电子波函数,用以描述电子间有相互作用的量子液体的基态。劳克林还证明,在基态和激

8、发态之间有一能隙,激发态内存在分数电荷±e/m的“准粒子”。这就意味着霍耳电阻正好会量子化为m乘h/e2。 劳克林认为,从基态到基本激发会产生特殊的旋涡。例如,可以想像我们从体系中移走一个(带整数电荷的)电子。在劳克林的图像中,有m个旋涡未受束缚,每个“准粒子”

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