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科学家首次观测到三维量子霍尔效应
  

  从20世纪八十年月初在二维电子系统中被发明至今,量子霍尔效应作为超导之外的另一个闻名宏观量子征象在凝结态物理中催生出了一个越趋活泼的研究规模。其内涵本质,是将数学中的拓扑观念引入物理,逾越了Landau按照对称性破缺理论对物质分类的传统尺度,为连年的拓扑物态与拓扑原料的快速成长奠基了基本。

  量子霍尔效应是否只存在于二维系统?这个基本题目从二维量子霍尔效应发明后不久即引起规模的存眷。早在1987年,Bertrand Halperin从理论上就预言了三维量子霍尔效应的存在和它的丈量特性。但要验证这个新颖效应,对证料系统与丈量本领的要求都很是高;尽量已有诸多实行,尝试上仍缺乏可信的视察证据。

  中国科学技能大学合肥微标准物质科学国度研究中心国际成果原料量子计划中心(ICQD)和物理系传授乔振华与南边科技大学传授张立源、新加坡科技计划大学传授杨声远、美国佛罗里达州立大学传授杨昆、麻省理工学院传授Patrick A. Lee以及布鲁海文国度尝试室传授Genda Gu等举办理论与尝试相助,在碲化锆(ZrTe5)块体单晶体原料中初次视察到三维量子霍尔效应的明晰证据,并指出该效应也许是因为磁场下彼此浸染发生的电荷密度波诱导的。这一研究成就5月9日在线颁发在国际学术期刊《天然》上。

  在层状碲化锆原料中,垂直磁场的呈现使得体内电子在垂直磁场的平面中形成朗道能级,如图1正上方的圆圈所示;而在侧界线,存在手性传输的电流。在垂直磁场的平面内,界线电子形成单向传输的边沿态,如图1最上层的侧边所示。发生该效应的要害是电子之间的关联浸染导致电荷密度波的形成。无论二维照旧三维量子霍尔效应,体系的体相都必需是绝缘的。对付三维系统,因为沿着磁场偏向的电子行为不受磁场影响,一个初始的金属态在弱电子关联效应下是无法酿成绝缘体的。而当体系进入仅有一个Landau能级被占有的量子极限地区,电子之间的关联效应大大加强,导致费米面的不不变。其功效是形成了一种怪异的量子态—电荷密度波,即电子的密度沿着磁场偏向以必然的周期振荡,整个别系转化为三维量子霍尔绝缘体。

  碲化锆是一种各向异性较强的三维层状原料,如图2(a)所示。碲原子和锆原子沿着x偏向形成一维原子链,上海商标注册,该原子链沿着y偏向堆叠为一层,xy面内的原子层再沿着z偏向堆叠成为体原料。费米面的外形尽量存在各向异性,但照旧一个关闭的椭球面,如图2(b)所示,以是整个别系仍为三维体系。

  当沿着z偏向施加磁场时,该研究团队在尝试上视察到一系列电阻振荡。尤其重要的是,当系统进入量子极限地区时,纵向电阻为零,而霍尔电阻的数值和z偏向的费米波矢相干联,如图2(c)所示。这一怪异举动,与Halperin在1987年预言的三维量子霍尔效应的特性完全同等。

  综上所述,这一事变终于将经验了30余年守候的三维量子霍尔效应这一预言揭示于众人眼前。在这个效应中,因为维度的差异,征象背后的微观物理机制也揭示其新奇与诱人的方面。该发明有望为将来的凝结态物理的成长注入新的活力。

  张立源、乔振华和杨声远为论文的配合通信作者;南边科技大学博士生汤方栋和中国科大物理系博士生任亚飞为配合第一作者。

  上述研究获得国度天然科学基金委、科技部、中组部、中科院和安徽省的扶助。

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  图1:三维量子霍尔效应及电荷密度波表示图。因为磁场效应,体内电子在面内的行为形成朗道能级,如上周遭圈所示。在仅有一个Landau能级被占有的量子极限下,更强的电子关联效应导致电荷密度波的形成,并进而使得系统转化为三维量子霍尔绝缘体。

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  图2:a: ZrTe5的晶格布局。b:尝试丈量的费米面外形。该费米面是关闭的,表征该电子系统的三维特征。c: 三维量子霍尔征象。




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2019-05-16 来源:网络
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