磁性拓扑绝缘体中的量子化反常霍尔效应

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.     

从磁性掺杂拓扑绝缘体到内禀磁性拓扑绝缘体——通往高温量子反常霍尔效应之路

量子反常霍尔效应被认为是已知的拓扑量子效应中最有希望获得广泛实际应用的一个。阻碍其应用的主要障碍是其很低的实现温度。文章介绍了在磁性拓扑绝缘体中量子反常霍尔效应的机理和决定其实现温度的因素,回顾了过去几年在提高量子反常霍尔效应实现温度方面的研究进展,尤其是最近内禀磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄的相关工作。在此基础上提出在磁性拓扑绝缘体系统中进一步提高量子反常霍尔效应温度的路线图。

     

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.     

从反常霍尔效应到量子反常霍尔效应

美国物理学家霍尔 (Edwin H.Hall) 在1879 年发现,当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个边界之间会出现电势差(图1)。这个现象被称作霍尔效应。在当时要理解这一重要的现象还非常困难,因为电子的概念在18年后才被提出来。     

量子反常霍尔效应研究进展

在没有外加磁场的作用下就能表现出量子化霍尔电导的量子反常霍尔效应已经成为霍尔家族中的重要一员,其物理起源是体能带反转结构和铁磁性相互作用.量子反常霍尔效应最重要的表现是在边缘态处具有无耗散运动的手性电流,这种性质拥有可以改变未来量子电子学的潜力,极大推动器件小型化、低损耗、高速率发展.近年来,基于理论指导,人们在实验上已多次观察到量子反常霍尔效应.在本文中,从实验层面上重点回顾了量子反常霍尔效应在铬(Cr)、钒(V)掺杂的(Bi, Sb)₂Te₃体系的研究进展,以及目前量子反常霍尔效应在其它体系中的研究现状,深入理解量子反常霍尔效应的起源和机理,最后对量子反常霍尔效应进行总结和展望.     

“量子反常霍尔效应”研究取得重大突破

由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队,经过数年不懈探索和艰苦攻关,最近成功实现了量子反常霍尔效应.这是国际上该领域的一项重要科学突破.     

量子霍尔效应及量子反常霍尔效应的探索历程

回顾了霍尔效应、量子霍尔效应及量子反常霍尔效应的探索历程.着重叙述了1985年、1998年获得诺贝尔物理学奖的量子霍尔效应研究成果,以及在我国实验室首次观测到量子反常霍尔效应的重大成就.     

磁性Weyl半金属的实现及其巨反常霍尔效应

作为一个重要的电输运现象,反常霍尔效应的发现已有近140年的历史。长期以来的研究表明,反常霍尔效应在不同的条件下呈现出迥异的主导机制。一是由杂质原子散射所引起的外禀过程,一是晶体能带的贝利曲率所驱动的内禀行为。作为动量空间里的赝磁场,贝利曲率源于布洛赫电子的带间相互作用,对其在整个布里渊区内的积分即为体系的反常霍尔电导]。当贝利曲率由拓扑材料中具有拓扑保护特征的能带所产生时,体系内禀的大反常霍尔效应更能抵抗缺陷和热扰动的破坏,具有更高的稳定性,更有利于器件应用。本世纪之初,物理学家发现磁性材料动量空间中的磁单极子可以产生内禀的反常霍尔效应[4]。现在看来,其中的磁单极子就是人们后来发现的外尔半金属中的外尔点。这为反常霍尔效应的研究提供了全新的能带拓扑理论认识。     

反常霍尔效应理论的研究进展

文章介绍了在铁磁性材料中反常霍尔效应的发现及其机制研究的历史;阐述了反常霍尔效应理论研究最近取得的重大进展,即倒空间中布洛赫态的贝里曲率(规范场)特性决定了霍尔电导率;同时指出,建立系统地解释反常霍尔效应机制的理论仍然是一个挑战性的任务.     

反常霍尔效应理论的研究进展

文章介绍了在铁磁性材料中反常霍尔效应的发现及其机制研究的历史；阐述了反常霍尔效应理论研究最近取得的重大进展，即倒空间中布洛赫态的贝里曲率（规范场）特性决定了霍尔电导率；同时指出，建立系统地解释反常霍尔效应机制的理论仍然是一个挑战性的任务．     

中国科学家薛其坤首次在实验上发现量子反常霍尔效应

3月15日凌晨,由清华大学薛其坤院士领衔,清华大学、中科院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队,历时4年完成的研究报告——量子反常霍尔效应——在《科学》杂志上发表。这项被3名匿名评审人给予高度评价的成果,是在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后,首     

高温超导体反常霍尔效应的标度行为

报道了高温超导体中钉扎影响霍尔电阻ρxy和霍尔角θH的普适标度律.这组标度律可以被多种不同的高温超导体的实验数据所验证.同时,根据已经得到的扩展幂律形式的纵向电阻ρxx以及霍尔电阻ρxy的表达式,推导出了这组标度律.     

拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应

拓扑绝缘体是近年来发现的一类新的量子材料,已成为凝聚态物理的研究热点领域.厚度仅几纳米的拓扑绝缘体薄膜不但具有奇特的物理性质,而且还是拓扑绝缘体应用于平面器件的基础.文章以Bi2Se3为例,介绍了Bi2Se3家族拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长以及其能带、自旋结构和拓扑性质随层厚的演化.这些结果为人工调控拓扑绝缘体的电子结构和物理性质提供了指导.     

拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应

拓扑绝缘体是近年来发现的一类新的量子材料,已成为凝聚态物理的研究热点领域.厚度仅几纳米的拓扑绝缘体薄膜不但具有奇特的物理性质,而且还是拓扑绝缘体应用于平面器件的基础.文章以Bi2Se3为例,介绍了Bi2Se3家族拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长以及其能带、自旋结构和拓扑性质随层厚的演化.这些结果为人工调控拓扑绝缘体的电子结构和物理性质提供了指导.     

拓扑声子与声子霍尔效应

拓扑学与物理的结合是近几十年物理学蓬勃发展的一个新领域,它不仅活跃在量子场理论以及高能物理中,更广泛地存在于凝聚态物理体系中,包括量子(反常、自旋)霍尔效应和拓扑绝缘体(超导体)等.声子是凝聚态体系中热输运的主要载体;最近由于各种声子器件的发现,声子学得到了广泛的关注.本文介绍了声子的拓扑性质以及声子的霍尔效应现象,分别评述了在破坏时间反演对称、破坏空间反演对称、以及同时破坏时间和空间反演对称三种情况下所产生的声子霍尔效应、声子谷霍尔效应等相关物理研究进展.最后对拓扑学在其他声学体系中的应用做了简单介绍,并进一步讨论了其未来的发展方向.     

拓扑绝缘体简介

拓扑绝缘体是最近几年发现的一种全新的物质形态,由于其独特的能带结构,具有零质量的狄拉克费米子及其相关的奇妙物理特性,近些年来引起了人们的广泛关注.同时,它还展现出在自旋电子学和量子计算等领域巨大的应用前景.     

拓扑近藤绝缘体

拓扑近藤绝缘体自10年前被提出后,很快成为第一个被实验证实的强关联拓扑材料。文章回顾了拓扑近藤绝缘体六硼化钐中的重要实验结果,并进一步分析了该材料中的关键科学问题和对未来研究的展望。     

Pt/GdFeCo/Pt多层膜的磁性和反常霍尔效应研究

亚铁磁材料因具有反铁磁排列的子晶格磁矩而表现出诸多丰富的物理性质,在磁信息存储和逻辑领域具有广阔的应用前景.本文采用磁控溅射方法在热氧化的硅基片上制备了Pt/GdFeCo(t)/Pt多层膜,系统研究了亚铁磁GdFeCo厚度对多层膜的表面形貌、结构、磁性以及反常霍尔效应(AHE)的影响.结构测试表明薄膜表面粗糙度较小,且GdFeCo层为非晶态;实验中利用GdFeCo层厚度可有效控制Gd元素含量,从而调控GdFeCo趋近反铁磁态特性的磁矩补偿点;通过重金属强自旋轨道耦合效应(SOC)和非晶态亚铁磁薄膜面内压应力,实现了良好垂直各向异性(PMA);进一步阐明了亚铁磁薄膜中磁性和反常霍尔效应的内在产生机制以及磁矩补偿点与温度的内在关系.这些结果为构建新一代低功耗自旋电子器件奠定基础.     

二维拓扑绝缘体退相干效应研究

拓扑绝缘体是当前凝聚态物理研究的热点.退相干效应对该体系的影响的研究不仅有重要的理论意义,而且也是实现未来量子器件的不可或缺的前期工作.文章作者从理论上研究了退相干对二维拓扑绝缘体特别是量子自旋霍尔效应的影响.研究结果表明,作为量子自旋霍尔效应的标志的量子化纵向电阻平台对不破坏自旋记忆的退相干效应（普通退相干）不敏感,但却对破坏自旋记忆的退相干效应（自旋退相干）非常敏感.因此,该量子化平台只能在尺寸小于自旋退相干长度的介观样品中存在,从而解释了量子自旋霍尔效应实验中所观测到的结果(见Science ,20