重大突破!复旦大学:首次观测到三维量子霍尔效应!

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  对于这次成果的诞生,修发贤实在,在砷化镉的研究方面,这才以后 以后 以后刚开始了了。“这是有俩个作品,他们第一次提出了新的机制,也得到了认可。但还有都能能深挖的,还有更具体的东西,我想得继续做细做好。这次他们发现了三维量子霍尔效应,为今后的进一步科研探索提供一定的实验基础。另外,在应用方面你你你你这个 材料体系具有非常高的迁移率,电子的传输和响应快一点 ,都能能在红外探测、电子自旋方面做你你你这个原型器件。

  一并第一作者:张成,张亿,袁翔;通讯作者:修发贤;第一单位:复旦大学物理学系;论文doi: 10.1038/s41586-018-0798-3。

  课题背景

  量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一,迄今已有俩个诺贝尔奖与其直接相关。

  但一百多年来,科学家们对量子霍尔效应的研究仍在等待于二维体系,从未涉足三维领域。

  早在150多年前,美国物理学家霍尔就发现,对通电的导体再加垂直于电流方向的磁场,电子的运动轨迹将地处偏转,在导体的纵向方向产生电压,你你你你这个 电磁间题什么都“霍尔效应”。可能性将电子限制在二维平面内,在强大的磁场作用下,电子的运动都能能在导体边缘做一维运动,变得“讲规则”“守秩序”。

  但以往的实验证明,量子霍尔效应只会在二维可能性准二维体系中地处。“比如说这间屋子,除了上表表皮层、下表表皮层,后面 还地处有俩个空间。”修发贤用手上下比划着。他们知道,在“天花板”可能性“地面”上,电子都能能沿着“边界线”有条不紊的做着规则运动,一列朝前,一列向后,像是两列在每其他人轨道上魔鬼司令的列车。这样,在立体空间中呢?

  三维体系中地处量子霍尔效应吗?可能性有,电子的运动机制是哪此?

  把“房子”放歪 发现来源于外尔轨道的运动机制

  “他们在砷化镉纳米片中看得人你你你你这个 间题时,非常震惊,三维体系后面 为啥会出现量子霍尔效应?”2016年10月,修发贤及其团队第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到量子霍尔效应的以后 ,就像目睹汽车飞到空中那样又惊又喜。

  快一点 ,他们的你你你你这个 发现发表在了《自然·通讯》上。以后 ,在样品制备过程中借鉴了修发贤团队前期已发表的经验,日本和美国都是科学家在同样的体系中观测到了你你你你这个 效应。但遗憾的是,基于当时的实验结果,实际的电子运动机制并不明确。

  课题组提出了他们的猜想:本身可能性的法律法子是从上表表皮层到下表表皮层的体态穿越,电子做了垂直运动;另本身可能性是电子在上下有俩个表表皮层,即在有俩个二维体系中,分别独立形成了量子霍尔效应。

  课题组决定,打破砂锅问到底。但面对千分之一条头发丝大小的实验材料,快如闪电的电子运动效率,这实验该为啥做?起初,他们什么都知该怎样才能下手。

  “他们把‘房子’放歪了!”实验材料虽小,灵感却都能能从日常生活而来。

  修发贤课题组想了有俩个法律法子,他们创新性地利用楔形样品实现可控的深层变化。“屋顶被倾斜了,房子内部上下表表皮层的距离就会地处变化。”修发贤比划出有俩个“横倒的梯形”。

  通过测量量子霍尔平台出现的磁场,都能能用公式推算出量子霍尔台阶。实验发现,电子在其中的运动轨道能量直接受到样品深层的影响。这说明,随着样品深层的变化,电子的运动时间也在变。什么都,电子在做与样品深层相关的纵向运动,其隧穿行为被证明了。

  “电子在上表表皮层走一段四分之一圈,穿越到下表表皮层,完成另外有俩个四分之一圈后,再穿越回上表表皮层,形成半个闭环,你你你你这个 隧穿行为也是无耗散的,什么都都能能保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。”修发贤说,整个轨道什么都三维的“外尔轨道”,是砷化镉纳米形态学 中量子霍尔效应的来源。

  至此,三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开了。

  全文亮点

  基于三维拓扑半金属材料Cd3As2,发现本身新型的量子霍尔效应,认为三维量子霍尔效应的来源于与外尔轨道。

  利用楔形Cd3As2纳米片,发现样品深层对量子霍尔输运产生极大的调制。

  朗道能级与磁场效率以及方向,以及样品深层的依赖关系,与理论预测符合。

  图文快解

  图1 外尔轨道中的量子霍尔效应。

  b: 二维量子霍尔效应图示。

  c:基于外尔轨道的三维量子霍尔效应图示。

  d,e: 基于楔形样品,在不同深层出测量输运性质图示。

  图2 楔形样品1的量子霍尔效应。x轴方向上,深层变化。

  图3 楔形样品2,y轴方向上的量子霍尔效应。

  通过测量量子霍尔平台出现的磁场,都能能用公式推算出量子霍尔台阶。

  图4 将样品在y-z平面内倾斜,产生的不对称的霍尔电阻。

  图5 外尔轨道内朗道能级偏移的分析。

  作者介绍

  修发贤,于507年获得加州大学河滨分校博士学位。508至2011年在加州大学洛杉矶分校做博士后研究。2011年担任爱荷华州立大学助理教授。2012年入选青年千人计划,2013年入职复旦大学并获得优青和浦江人才计划支持。

  修发贤课题组主要从事拓扑狄拉克材料的生长、量子调控以及新型二维原子晶体的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生长、物性测量以及量子器件的制备与表征。在二维材料的器件方面主要研究其电学、磁学和光电形态学 。

  在过去的十余年中,在学术期刊Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, JACS, Nano Letters等发表SCI论文50余篇。目前工作重点是新型狄拉克材料的生长、量子调控以及新型二维原子晶体的器件研究。