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．     

二维材料中贝里曲率诱导的磁性响应

二维材料中由贝里曲率诱导的新型磁学响应是近年来的新兴领域.这些二维材料所表现出的磁学特性及量子输运与贝里曲率直接相关,而贝里曲率又与晶体的对称性、电子的轨道磁性、自旋轨道耦合以及磁电效应等息息相关.研究这些新型磁性响应一方面有益于研究不同量子效应间的耦合作用,另一方面可探索量子效应在电子与信息器件领域的应用.本文介绍了近几年来二维材料中新型磁响应的实验研究进展,特别介绍了二硫化钼和石墨烯等材料中的谷霍尔和磁电效应、低对称性的二碲化钨等材料中的量子非线性霍尔以及转角石墨烯中的反常霍尔和量子反常霍尔效应.本文结合二维材料的晶体结构以及电子结构,介绍了这些新奇现象的现有物理解释、回顾了相关研究的最新发展、讨论了其中尚未理解的现象,并作出展望.     

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     

强关联材料霍尔热导率实验测量综

在材料中输入热流并在垂直于热流的方向上施加磁场时,热载流子将可能被磁场偏转,获 得横向速度,从而导致材料在横向出现一个温度梯度。这种效应被称为热霍尔效应 (THE)。与电 霍尔效应类似,热霍尔效应被预言将在一些拥有非平庸贝利曲率的材料中出现,因此它可以揭示 材料的拓扑性质。然而,热霍尔效应并不像电霍尔一样,只局限于载流子带电的体系;相反,任 何种类的准粒子都可以导热。因此,热霍尔效应也可以用来探索强关联电子体系材料 (尤其是绝缘 体) 的奇异性质。因此,热霍尔效应更具有普适性,并日益成为探测电中性激发,如声子和磁振子 的强有力手段。不仅如此,有如手性声子这样超越一般非平庸贝利曲率图像的因素仍可导致热霍 尔效应;探查其中的热霍尔效应将为理解材料中复杂的微观机理指明方向。但是,热信号比电信 号要微弱得多。尤其是测量热霍尔效应,往往要在较大背景噪音中提取微弱的有效信号,这使霍 尔热导的测量极具挑战性。但是得益于科研工作者大量的努力,该领域在近几年发展迅速,得到 了许多十分有趣的结果。在本文中,我们将简要总结现有的一些令人兴奋的在霍尔热导率测量方 面的成果,指出尚未解决的问题,并提出未来可能的方向。      

薛其坤等《科学》发文,首次在实验上发现量子反常霍尔效应或将推动信息技术进步

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在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破,从实验上首次观测到量子反常霍尔效应,在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后终于实现了反常霍尔效应的量子化.这是我国     

Mn_(3)Sn的高压物性研究

非共线三角晶格的反铁磁体Mn_(3)Sn,由于其动量空间中非零的贝里曲率而表现出反常霍尔效应.利用金刚石对顶砧研究压力对Mn_(3)Sn低温电输运性质和反常霍尔效应的影响.结果表明:Mn_(3)Sn在0~60GPa压力范围内保持金属导电行为;从非共线磁有序到螺旋磁有序的转变温度随压力增加先降低,在5.5GPa以上迅速升高,对应一个等结构电子拓扑转变;Mn_(3)Sn的反常霍尔效应在5.5GPa被完全抑制.     

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.     

二维光/声学拓扑态

文章主要介绍光/声学拓扑态的基本概念和研究背景,评述了这一领域中二维体系研究的进展。首先简要回顾了霍尔效应及其与贝利曲率和对称性的关系,接着综合分析了不同对称性条件下的光和声拓扑态,包括光/声量子霍尔效应、Floquet拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应的相关工作,最后讨论了该领域可能的发展方向和前景。     

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.     

缀饰格子中时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应

<正>研究了缀饰格子中的量子自旋霍尔效应,模型中同时考虑了Rashba自旋轨道耦合和交换场的作用.缀饰格子具有简立方对称性,以零能平带和单狄拉克锥结构为主要特点.在缀饰格子中,不论是实现量子自旋霍尔效应还是量子反常霍尔效应,都需要一个不为零的内禀自旋轨道耦合作用来打开一个完全的体能隙,这与石墨烯等六角格子模型有着很大的不同.在交换场破坏了时间反演对称性的情况下,以自旋陈数为标志的量子自旋霍尔效应仍然能够存在,边缘态和极化率的相关结果也证明了这一结论.结果表明自旋陈数比z2拓扑数在表征量子自旋霍尔效应方面有着更广泛的适用范围,相应的结论为利用磁场控制量子自旋霍尔效应提出了一个理论模型和依据.     

Rashba自旋轨道耦合下square-octagon晶格的拓扑相变

本文研究了各向同性square-octagon晶格在内禀自旋轨道耦合、Rashba自旋轨道耦合和交换场作用下的拓扑相变,同时引入陈数和自旋陈数对系统进行拓扑分类.系统在自旋轨道耦合和交换场的影响下会出现许多拓扑非平庸态,包括时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态和量子反常霍尔态.特别的是,在时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应中,无能隙螺旋边缘态依然能够完好存在.调节交换场或者填充因子的大小会导致系统发生从时间反演对称破缺的量子自旋霍尔态到自旋过滤的量子反常霍尔态的拓扑相变.边缘态能谱和自旋谱的性质与陈数和自旋陈数的拓扑刻画完全一致.这些研究成果为自旋量子操控提供了一个有趣的途径.     

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     

磁性拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应

量子反常霍尔绝缘体,有时也被称为陈数绝缘体,是不同于普通绝缘体和拓扑绝缘体的一类新的二维绝缘体,该体系具有可被实验观测的特殊物理性质—量子反常霍尔效应。该体系的物态不能用朗道对称性破缺理论来描写,而要用到拓扑物态的概念。它的发现也经历了从反常霍尔效应的内秉物性阐释,到量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体的发现,再到磁性拓扑绝缘体的理论预测与实现,并最终成功实验观测的漫长过程。由于量子反常霍尔效应的实现不需要外加磁场,而此时样品的边缘态可以被看成一根无能耗的理想导线,因此人们对于其将来可能的应用充满了期待。本文将从理论的角度简单综述该领域的发展历程、基本概念、以及相关的材料系统。     

分子束外延Mn4N单晶薄膜的反常霍尔效应研究

Mn₄N是立方相的反钙钛矿型晶体,具有显著的亚铁磁性和反常霍尔效应.该文利用等离子辅助分子束外延在MgO(100)衬底上生长厚度为40 nm的Mn₄N(100)单晶薄膜,通过X射线衍射θ扫描和φ扫描,证实外延层的结构符合Mn₄N单晶的空间结构特征;化学态测试结果表明Mn₄N(100)薄膜内部存在Mn⁰、Mn²⁺和Mn⁴⁺等几种价态,其实际化学式为Mn_3.6N,薄膜中存在富余的N元素;电学测试数据表明Mn₄N(100)薄膜具有以电子为载流子的反常霍尔效应(在正磁场中得到负的霍尔电阻率),正常霍尔效应的贡献约占千分之六,其反常霍尔电阻率随着测试温度升高5 K～350 K单调增大,说明温度升高导致电子散射现象加剧.通过对测试数据分析可以推断,在5 K～50 K和50 K～75 K温度范围,反常霍尔效应的来源可分别归结为电子斜散射机制和电子边跳机制.在75 K～350 K这一温度范围内,反常霍尔效应...     

Pt/La0.67Sr0.33MnO3异质结中的反常霍尔效应

非磁/铁磁异质结构中存在很多有趣的演生现象,特别是,铂/铁磁异质结构中的反常霍尔效应是一个研究热点.采用脉冲激光沉积技术和射频磁控溅射技术制备出具有原子级接触界面的铂/锰酸锶镧异质结,并对异质结的电输运性能进行了系统的研究.实验发现,铂/锰酸锶镧异质结中存在由铂贡献的反常霍尔效应,这是由磁近邻效应诱导铂表现出铁磁性造成的.反常霍尔电阻随着温度的降低而急剧增加,并且在低于40 K时改变符号.反常霍尔电阻随铂厚度的增加而急剧降低,证实了铂的铁磁性起源于异质结界面.此外,异质结在低外加磁场下可能产生了拓扑霍尔效应,这是由异质结界面处的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用诱导产生手性磁畴壁结构引起的.上述研究结果为进一步理解非磁/铁磁异质结构中的电子自旋和电荷输运之间的相互作用提供了实验基础.     

磁子霍尔效应

霍尔效应是凝聚态领域中古老却又极具潜力的研究领域,其起源可以追溯到数百年前. 1879年,霍尔发现将载流导体置于磁场中时,磁场带来的洛伦兹力将使得电子在导体的一侧积累,这一新奇的物理现象被命名为霍尔效应.之后,一系列新的霍尔效应被发现,包括反常霍尔效应、量子霍尔效应、自旋霍尔效应、拓扑霍尔效应和平面霍尔效应等.值得注意的是,霍尔效应能够实现不同方向的粒子流之间的相互转化,因此在信息传输过程中扮演着重要的角色.在玻色子体系(如磁子)中,相应的一系列磁子霍尔效应也被发现,他们共同推动了以磁子为基础的自旋电子学的发展.本文回顾了近年来在磁子体系中的霍尔效应,简述其现代半经典的处理方法,包括虚拟电磁场理论和散射理论等.并进一步介绍了磁子霍尔效应的物理起源,概述了不同类型磁子的霍尔效应.最后,对磁子霍尔效应的发展趋势进行了展望.     

声子晶体中的多重拓扑相

研究了圆环型波导依照蜂窝结构排列的声子晶体系统中的拓扑相变.利用晶格结构的点群对称性实现赝自旋,并在圆环中引入旋转气流来打破时间反演对称性.通过紧束缚近似模型计算的解析结果表明,没有引入气流时,调节几何参数,系统存在普通绝缘体和量子自旋霍尔效应绝缘体两个相;引入气流后,可以实现新的时间反演对称性破缺的量子自旋霍尔效应相,而增大气流强度,则可以实现量子反常霍尔效应相.这三个拓扑相可以通过自旋陈数来分类.通过有限元软件模拟了多个系统中边界态的传播,发现不同于量子自旋霍尔效应相,量子反常霍尔相系统的表面只支持一种自旋的边界态,并且它无需时间反演对称性保护.     

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.     

连续变温霍尔效应测量的程控软件设计

反常霍尔效应虽然已被发现一百余年,但对其产生机理现在仍存在不同的观点.本文介绍了一种可连续控温的霍尔效应测量系统.该系统的电路采用相干双交流电桥;在LabVIEW软件平台下,以LabVIEW和C混合编程完成整个系统的控制,该系统可实现从液氦温度到室温的精确控温、仪器的远程控制和数据的采集处理,用于镍薄膜的霍尔测量,效果良好.     

磁性薄膜的有效垂直磁各向异性场的全输运测量

采用磁控溅射方法,通过金属掩膜板制备了霍尔棒形状"CoFeB/MgO"体系薄膜样品,其中CoFeB层厚度为1.0nm、1.1nm、1.2nm,利用垂直温度梯度的反常能斯特效应和反常霍尔效应对其相关磁输运特性进行了测量,所得结果可分别等效为常规面内和垂直方向的磁滞回线,并由此获得了薄膜的有效垂直各向异性场.