我国科学家在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破

清华大学和中国科学院物理研究所今天在北京联合宣布：由双方联合组成的实验团队在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破，在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，首次观测到量子反常霍尔效应。相关论文已于近日在《科学》杂志发表。今天，有关专家首次披露了研究与合作的细节，而诺贝尔奖获得者杨振宁也高度评价了这一成果。 \e~5Dx1  
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霍尔效应和反常霍尔效应是130多年前由美国物理学家霍尔发现的。1980年和1982年，德、美科学家先后发现整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，并分别获得诺贝尔物理奖。领衔实验的清华大学薛其坤院士说：“物理学家们认为量子霍尔效应家族中也应该存在量子反常霍尔效应。但如何使其现身并在实验上观测到它，成为近些年凝聚态物理学家探索的难题之一。” y#i` i  
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据介绍，2006年，美国斯坦福大学/清华大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008年提出了在拓扑绝缘体中引入磁性实现量子反常霍尔效应的可能性。2010年，中科院物理所方忠、戴希研究员等与张首晟教授合作，预言了Cr或Fe掺杂的Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3族三维拓扑绝缘体薄膜是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。薛其坤说，要在实验上实现反常霍尔效应的量子化，需要拓扑绝缘体材料同时满足三项非常苛刻的条件：材料的能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态；材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应；材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献。在实际材料中，实现以上任何一点都具有相当大的难度，而要同时满足这三点对实验物理学家来讲更是一个巨大的挑战，德国、日本、美国的科学家由于无法在材料中同时满足这三点而未取得最后的成功。 J=b'b%  
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清华大学和中科院物理研究所的研究人员，密切合作，协同创新，从2009年开始向量子反常霍尔效应的实验发起冲击。4年来，团队生长和测量了超过1000个样品，克服了重重障碍，一步步实现了对磁性掺杂拓扑绝缘体高质量薄膜的生长、表面电子态的观测、特别是对其电子结构、磁有序态和能带拓扑结构的精密调控，终于在2012年10月观测到了量子反常霍尔效应，也证实了此前中科院物理研究所与斯坦福大学理论团队的预言。 ^Vg-fO]V  
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专家指出，量子反常霍尔效应之所以备受国际科技界重视，一个重要原因是它可能在未来电子器件中发挥特殊的作用，可以用于制备低能耗的高速电子器件。假如能把量子霍尔效应引入计算机芯片，将会克服电脑的发热和能量耗散问题。但这还有很长的路要走。 OM81$Xo=  
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诺贝尔奖获得者杨振宁参加了今天的新闻发布会。他说，发现量子反常霍尔效应这篇论文，是从中国实验室做出的、具有诺贝尔奖级的物理学的论文。“这不只是清华大学和中科院的喜事儿，也是整个国家发展的大喜事儿。”