量子霍尔效应的发展历程

量子霍尔效应的发现是新兴的低维凝聚态物理发展中的一件大事,分数量子霍尔效应的发现更是开创了一个研究多体现象的新时代,并将影响到物理学的很多分支,这个领域两次被授予诺贝尔物理奖,引起了人们很大的兴趣,文章介绍了量子霍尔效应发展的历程,主要内容包括１８９７年霍尔发现霍尔效应、１９８０年Ｋｌａｕｓ ｖｏｎ Ｋｌｉｔｚｉｎｇ发现整数量子霍尔效应、１９８２年崔琦和Ｈｏｒｓｔ Ｌ．Ｓｔｏｒｍｅｒ发现分数量子霍     

分数量子霍尔效应的新理论

在经典霍尔效应中 ,霍尔电压ＶＨ 线性正比于垂直方向的外场Ｂ⊥ ,并且沿电流方向的纵向电压Ｖ∥ 也随Ｂ⊥ 的增加而连续上升 .1980年 ,冯·克里青 (ＫｌａｕｓｖｏｎＫｌｉｔｚｉｎｇ)用半导体场效应晶体管进行霍尔测量 ,研究被限制在二维平面内的电子运动 .他发现 ,在极低温和强磁场的条件下 ,霍尔电压ＶＨ 不再随外场的增加而线性增加 ,而是 (在ＶＨ-Ｂ⊥ 图上 )表现为一连串ＶＨ =常数的阶跃平台 .与一个个平台相对应的霍尔电阻ＶＨ Ｉ(Ｉ是纵向电流 )恰好等于物理常数ｈ ｅ2 除以一个整数ｉ(ｉ=1,2 ,3,4 ,… ) .克里青的发现后来被称为…     

调制掺杂GaAs/AlGaAs 2DEG材料持久光电导及子带电子特性研究

在掺Si的GaAs/AlGaAs二维电子气(2DEG)结构中，得到μ_2K=1.78×10^{6cm2/(V·s)的高迁移率.在低温(2K)和高磁场(6T)的条件下，对样品进行红 光辐照，观察到持久光电导(PPC)效应，电子浓度在光照后显著增加.通过整数量子霍尔效应 (IQHE)和Shubnikov-de Haas (SdH)振荡的测量，研究了2DEG的子带电子特性.样品在低温光 照后2DEG中第一子带和第二子带的电子浓度同时随电子总浓度的增加而增加；而且电子迁移 率也明显提高.同时，通过整数霍尔平台的宽度对光照前后电子的量子寿命变短现象作了理 论分析. 关键词： 二维电子气 量子霍尔效应 SdH振荡 持久光电导效应}     

二维电子系统中磁场与微波辐照感应的“零电阻”态

受限于两种半导体界面之中的电子形成所谓二维电子气．二十几年来，半导体技术的发展促进了高纯二维电子气样品的制备，从而为固态物理的研究提供了广阔的空间。1980年和1982年的诺贝尔物理学奖分别被授予整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的研究者，相关的实验都是针对二维电子气在磁场下的输运行为。     

自旋霍尔效应电信号的直接探测

一块长方形的金属板置于磁场中，磁场的方向（z方向）垂直于板面，在板的纵向（x方向）通入电流，则在板的横向（y方向）可检测到霍尔电压。1879年，Edwin Hall发现了上述正负电荷非平衡聚积的现象，后来被命名为霍尔效应。100年后，1980年和1982年，von Klitzing和崔琦等利用二维电子气作为样品，在高场下分别发现了整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，并先后获得诺贝尔物理学奖。最近，来自哈佛大学物理系的Tinkham等在Nature剧刊撰文，报告了他们用电学方法在探测自旋霍尔效应的实验中所取得的进展。     

自旋轨道耦合系统中的整数量子霍尔效应

研究了Rashba自旋轨道耦合作用下的二维无限长条形样品中的电子输运,计算了样品的霍尔电导和纵向电阻,得到了完整的整数量子霍尔效应.在一定强磁场范围内,由于样品两边缘的限制,能级在大波矢范围快速上升,在小波矢范围形成平坦的朗道能级.强磁场下自旋轨道耦合完全解除自旋简并.位于朗道能级上升和下降区域的电子形成传输电流.计算结果表明,霍尔电导呈现台阶型,平台出现在e2/h的整数倍位置,形成霍尔平台.温度对霍尔平台的电导有一定影响.在某临界温度以下,霍尔平台电导可以达到10–9以上的精度.最后分析了声子发射和吸收产生整数量子霍尔效应的纵向电阻的机制,近似计算了弛豫时间,得到了纵向电阻.结果表明,纵向电阻在霍尔平台区域为零,而在霍尔平台之间出现峰值.     

转角双层石墨烯中易调控的非线性霍尔效应

<正>量子霍尔效应(quantum Hall effect, QHE)是霍尔效应的量子力学版本。一般分为整数量子霍尔效应(integer QHE)和分数量子霍尔效应(fraction QHE),其中整数量子霍尔效应由德国物理学家von Klitzing发现,他因此获得1985年诺贝尔物理学奖。分数量子霍尔效应由美籍华裔物理学家崔琦、德国物理学家Horst St?rmer和美国材料学家Arthur Gossard发现,前两位因此与美国物理学家Robert Laughlin分享了1998年诺贝尔物理学奖。     

从分数量子霍尔效应到拓扑量子计算*

分数量子霍尔效应系统是奇异的量子液体,其中的准粒子激发可以带分数电荷,甚至具有非阿贝尔的统计性质。理论研究表明,这些准粒子可以用来实现在硬件上可容错的量子计算,即拓扑量子计算。文章在介绍分数量子霍尔效应及其在拓扑量子计算中的潜在应用基础上,重点回顾了近五年来对填充因子为5/2的分数量子霍尔态中非阿贝尔准粒子的实验探测和部分相关理论诠释。     

石墨烯量子霍尔平台与平台之间转变的标度律关系

在2到50 K温度范围内测量了单层石墨烯量子霍尔平台与平台之间转变的标度律关系. 发现石墨烯的标度律指数κ不是普适的,在低温段的κ大约是0.13,在高温段的κ大约是0.33. 这一结果进一步验证了石墨烯中长程散射的主导地位. 关键词： 石墨烯 量子霍尔效应 标度律     

量子霍尔效应（续）

4　分数量子霍尔效应的物理解释4.1　 L aughlin波函数和准粒子上述对 IQHE的解释是基于单电子图象的基础上作出的 .考虑到 2 DEG实际上是一个多粒子体系 ,如果电子 -电子间相互作用很强会导致强关联 .L aughlin从包含这种相互作用的多电子哈密顿出发 ,借助液氦理论中的模型波函数对量子霍尔效应体系的波函数进行试探性猜测 .对于 v=1 / m(m为奇数 )情形 ,得到的波函数满足泡利原理的要求 .用变分法和其它近似方法 (包括蒙特卡罗方法 )进行计算并和凝聚态理论中的模型相比较 ,肯定了该波函数 .L aughlin波函数描述的是高度关联的多电子…     

钒氢分子及离子的势能函数与垂直电离势

为了搞清储氢材料的机理,需了解VHn(n=0、 1、 2)分子及离子体系势能函数和稳定性的信息,本工作用原子分子反应静力学原理推导出了VHn(n=0、 1、 2)的基态电子状态及其离解极限.对H原子采用6-311 G**基组,对V原子采用SVP全电子基组,用B3PW91方法计算了它们的平衡几何、离解能,在此基础上分别计算了VH,VH 1的Murrell-Sorbie解析势能函数和基态VH 2的解析势能函数及其对应的力常数、光谱参数和垂直电离势.计算表明VH 离子的2Σ 和4Δ以及VH2 离子的1Σ 均具有对应于离子稳定平衡结构的极小点,说明它们可稳定存在.而VH (6Σ )、基态的VH2 (3Φ)和VH2 (5Σ )离子的离解能太小,应是不稳定的.     

一种新的量子效应──克里岑效应

1980年6月在西德召开的国际精密电磁测量会议上,西德的克里岑(K、Von. Kli-tzing)教授提出一种新的量子效应[1][2]:金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的霍尔电阻(即霍尔电压与供给器件的源-漏极电流之比)在低温和高磁场中具有量子化效应。当改变场效应管的栅极电压时,霍尔电压在随之改变的过程中,出现一系列的阶梯(如图1所示)。和低温直流约瑟夫森效应中电流阶梯类似。在阶梯处,霍尔电压的数值是自然常数h/(e2)的分数。式中h是普朗克常数,e是电子电荷。由于精细结构常数而霍尔电阻 ( i为整数)式中c是真空中的光速。 所以根据霍尔…     

铁磁绝缘体间的极薄Bi2Se3薄膜的相变研究

研究一个极薄三维拓扑绝缘体Bi₂Se₃薄膜处于两个铁磁绝缘体层之间, 其铁磁层的磁化方向都处于竖直平面, 系统拓扑性质随磁化方向夹角的变化. 从表面态电子低能有效哈密顿量出发计算系统的Chern 数, 和运用一个具有Armchair边界的单层六角晶格带的紧束缚模型模拟系统的体能带和边缘态, 来确定系统所处的拓扑相. 发现两个铁磁层的磁化方式从平行转到反平行的某一临界角度, 系统经历从反常量子霍尔相到普通绝缘相的转变.     

二维材料平带的实现及其新奇量子物态

在二维材料平带中电子的有效质量急剧增大,电子的库仑排斥能将远远大于电子的动能,电子-电子相互作用效应显著,对应地将会产生一系列新奇的强关联量子物态,如量子霍尔铁磁态、分数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、超导态、Wigner晶体等.因此人们对于二维材料中的平带产生了极大的兴趣.近几年,与平带相关的强关联物性研究成为了凝聚态物理领域的前沿课题.实验上发展了多种方法,例如通过外加强磁场、构筑应变结构、引入转角等方式在二维材料中引入平带.本文通过对二维体系中平带的实现方法及其带来的新奇物理现象进行回顾,希望为相关领域的研究人员提供参考和借鉴.     

可以戴在手腕上的原子钟

计量级原子钟基于铯 (133Cs)原子在其基态 (6S1/2 )超精细结构二能级 (F1=3,mF1 =0和F2 =4 ,mF2 =0 )之间的跃迁 ,能级间隔 =hν铯 ,ν铯 =9192 6 31770Hz .当馈入铯蒸气泡的微波恰好引起上述共振跃迁时 ,则说明微波频率 =ν铯 .将微波振荡信号输入电子计数器 ,每当计数器读出 9192 6 31770个周期时 ,就意味着时间又度过了 1s .在计量国家实验室运行的原子钟 ,其精度高达 1/ 10 15,即每 30 0 0万年只产生 1s的误差 ,不过它的体积很大 .精度稍低的原子钟 (精度 1/ 10 12 ) ,体积可以缩到鞋盒子那样大 .它在全世界的保有量是几千台 ,主要用…     

硅烯中受电场调控的体能隙和朗道能级

近年来, 硅烯(单层硅)由于其独特的结构和电子性质以及在量子霍尔效应等领域的潜在应用而成为理论和实验研究的一个热点. 借助于四带次近邻紧束缚模型, 详细计算和研究了硅烯中受电场调制的体能隙和电子能级. 结果表明: 硅烯原胞中的两个子格处于不同的平面上, 可以通过外电场区分和控制这两个子格, 这将破坏在纯石墨烯中无法被破坏的K-K'对称性, 并消除由这一对称性导致的电子能级的二重简并; 外加电场还会引起硅烯中次近邻格点之间的Rashba自旋轨道耦合, 这一作用会在不同狄拉克点有选择地消除电子能级在部分电场点的简并, 相邻能级从交叉状态变为反交叉状态; 电子能级中除一些孤立的交叉点外, 每个能级都具有确定的自旋取向, 石墨烯中电子能级的四重简并在硅烯中被完全消除, 从而导致填充因子ν=0, ±1, ±2, ±3,…的量子霍尔平台.     

磁性拓扑绝缘体中的量子化反常霍尔效应——无需外磁场的量子化霍尔效应

文章从平常霍尔效应出发,介绍了反常霍尔效应及其内秉物理机制,并在此基础上介绍了其量子化版本——量子化反常霍尔效应.然后从拓扑有序态的角度,重点讨论了量子化反常霍尔效应与量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体等之间的区别与内在联系.最后介绍了通过在拓扑绝缘体(Bi2Se3,Bi2Te3和Sb2Te3)薄膜中掺杂过渡金属元素(Cr或Fe)实现量子化反常霍尔效应的方法.     

稀土区奇奇核πh_(11/2)νi_(13/2)带B(M1)/B(E2)比值增强特性

在稀土区奇奇核πh11/2νi13/2转动带中,系统地观测到随转动频率或角动量增加,B(M1)/B(E2)曲线表现出所谓parabola like形状,即在增加到某一转动频率或自旋后,B(M1)/B(E2)比值快速增强。基于推转模型和粒子转子模型关于奇奇核二准粒子转动带磁偶极约化跃迁几率的描述,对稀土区双奇核的这一行为进行了讨论。指出该现象的发生与νi13/2准中子转动顺排特性密切相关。B(M1)/B(E2)比值在接近第二带交叉(即BC准中子对顺排)的较高频率处的增强效果,可以理解为主要来源于带交叉引起的波函数中混合四准粒子成分的结果。通过对B(M1)/B(E2)比值的增强效果发生在较低频率处的分析,对稀土区奇奇核πh11/2νi13/2带角动量耦合图像有了进一步认识。     

二维光子拓扑绝缘体研究进展

受凝聚态拓扑绝缘体研究的启发,整数量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑半金属、高阶拓扑绝缘体等拓扑物理相继在光学系统中实现。光子系统因能带干净,样品设计简单且制作精度高等优势,逐渐成为研究物理拓扑模型和新型拓扑效应的重要平台。拓扑光子学提供了全新的调控光场和操控光子的方法,其拓扑保护的边界态可实现光子对材料杂质缺陷免疫的传播,这种传统光子系统不具备的理想的传输态有望驱动新型光学集成器件的变革。本文将从二维光学体系出发,简要介绍几种典型的光拓扑绝缘体的最新进展,例如光整数量子霍尔效应、光量子自旋霍尔效应、光Floquet拓扑绝缘体、拓扑安德森绝缘体和高阶拓扑绝缘体。文中重点介绍了上述几种光拓扑绝缘体的拓扑模型及其新型的拓扑现象,并在最后展望了新型光学拓扑效应及其在光学器件中的应用前景。     

类涡旋激发持续到远高于Tc的温度

金属和半导体的磁电效应在凝聚态物理研究中占有重要地位 .例如 ,通过霍尔效应和磁电阻的测量 ,可以决定半导体中载流子的符号、浓度和迁移率 ,决定材料中电子散射机制 ,进而探索电子结构 .磁电效应测量按电流和外场的相对取向以及是否存在温度梯度 ,被分为若干类 ,让我们举例说明 .令矩形被测样品躺在ｘｙ平面 ,测量电流Ｊｘ 沿ｘ方向通入 ,外场Ｂ⊥ 与样品表面垂直即沿ｚ方向 .如果我们测量横向电场Ｅｙ,则得到霍尔效应 ;如果测量横向温度梯度δＴ δｙ ,则得到埃廷斯豪森 (Ｅｔｔｉｎｇ ｓｈａｕｓｅｎ)效应 ;如果测量的是纵向温度梯度δ…