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中国科学家成功实现“量子反常霍尔效应”

2013-3-17 6:33:36  文章来源:中国新闻网  作者:孙自法
核心提示:记者16日从中国科学院获悉,该院物理研究所和清华大学物理系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“量子反常霍尔效应”。

  中新社北京3月16日电 (记者 孙自法)记者16日从中国科学院获悉,该院物理研究所和清华大学物理系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“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,其物理效应从理论研究到实验观测的全过程,均由中国科学家独立完成。

  量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一。它是一种典型的宏观量子效应,是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现。德国科学家冯·克利青1980年发现“整数量子霍尔效应”,1985年获诺贝尔物理学奖;美籍华裔物理学家崔琦、美国物理学家施特默等1982年发现“分数量子霍尔效应”,不久由美国物理学家劳弗林给出理论解释,3人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。至此,在量子霍尔效应家族里,仍未被发现的效应即“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应。

  “量子反常霍尔效应”与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质,是一种全新的量子效应,它的实现也更加困难,需要精准的材料设计、制备与调控。1988年,美国物理学家霍尔丹提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应,但多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。

  2010年,中科院物理所方忠、戴希带领的团队与张首晟教授等合作,从理论与材料设计上取得突破,并提出一种磁性离子掺杂的拓扑绝缘体中存在着特殊的铁磁交换机制,能形成稳定的铁磁绝缘体,是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。他们的计算表明,这种磁性拓扑绝缘体多层膜在一定的厚度和磁交换强度下,即处在“量子反常霍尔效应”态。该理论与材料设计的突破在国际上引起广泛兴趣,许多世界顶级实验室都争相投入寻找“量子反常霍尔效应”的竞争。

  最近,中科院物理所何珂、吕力、马旭村、王立莉、方忠、戴希等团队和清华大学物理系薛其坤、张首晟、王亚愚、陈曦、贾金锋等团队合作攻关,利用分子束外延方法生长出高质量的拓扑绝缘体磁性薄膜,在极低温输运测量装置上成功观测到“量子反常霍尔效应”。这项重要科学突破的成果,已获最新一期科学杂志(Science)在线发表。(完)

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