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今日3篇Science齊發(fā),這個熱門領(lǐng)域曾獲國家自然科學一等獎!
小納米 納米人 2020-02-23
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圖丨pixabay


量子反常霍爾效應(yīng)(QAH)是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域極其重要的一個研究方向,超級計算機可以做的更小,手機運行速度可以提高上千倍,可能為人類社會帶來下一次信息技術(shù)革命。

 

然而,實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的材料體系需要兼具磁性和拓撲性質(zhì), 條件非常苛刻。


自從1988年F.D. M. Haldane提出相關(guān)概念以來,科學家長期致力于尋找可以實現(xiàn)這種效應(yīng)的神奇材料。終于,2013年,清華大學薛其坤院士團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應(yīng),相關(guān)成果獲得2018年度國家自然科學一等獎。

 

近日,國內(nèi)外多個團隊通過不同的策略,獨立地在兩種材料中發(fā)現(xiàn)了量子反常霍爾效應(yīng)。2020年2月21日,Science連續(xù)刊登3篇文章,報道了相關(guān)成果。其中2篇為研究論文,1篇為展望評述。


其中一篇研究論文來自復(fù)旦大學的張遠波, 王靖和中國科學技術(shù)大學的陳仙輝院士團隊合作,通過實驗在本征磁性拓撲絕緣體錳鉍碲(MnBi2Te4)中觀測到量子反常霍爾效應(yīng)。

 

另外一篇研究論文來自加州大學圣巴巴拉分校A. F. Young團隊,他們通過將扭曲的雙層石墨烯和六方氮化硼進行對準,也發(fā)現(xiàn)了量子反常霍爾效應(yīng)。

 

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1. Science: 首次通過實驗在本征磁性拓撲絕緣體錳鉍碲(MnBi2Te4)中觀測到量子反常霍爾效應(yīng)

具有量子反常霍爾效應(yīng)的材料體系也是實現(xiàn)拓撲量子計算的方案之一,然而,實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的材料體系需要兼具磁性和拓撲性質(zhì), 條件非常苛刻。有鑒于此,復(fù)旦大學的張遠波, 王靖和中國科學技術(shù)大學的陳仙輝院士團隊首次通過實驗在本征磁性拓撲絕緣體錳鉍碲(MnBi2Te4)中觀測到量子反常霍爾效應(yīng)


本文要點:

1)在該層狀范德華晶體中,鐵磁層彼此反平行耦合;但是,當樣品具有奇數(shù)個樣品層時,原子層薄的MnBi2Te4會變成鐵磁性。

2)在五層晶體中,在1.4開爾文、零磁場條件下觀測到量子反常霍爾效應(yīng);并且在同一塊樣品加入載流子后在高磁場中進一步觀測到常規(guī)的量子霍爾效應(yīng)。

3)從塊體材料出發(fā)制備的本征磁性拓撲絕緣體少層單晶的質(zhì)量已經(jīng)可與最好的磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜媲美。

 

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參考文獻:

Yujun Deng et al, Quantum anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4, Science, 2020.

DOI: 10.1126/science.aax8156.

https://science.sciencemag.org/content/367/6480/895


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2. Science:莫爾異質(zhì)結(jié)中的本征量子反常霍爾效應(yīng)

量子反常霍爾(QAH)效應(yīng)指在零磁場下將拓撲與磁性結(jié)合,以產(chǎn)生精確量子化的霍爾電阻。此前,研究人員發(fā)現(xiàn)摻有磁性原子的拓撲絕緣體Bi2Se3薄膜存在QAH效應(yīng)。然而,這種摻雜引入了不均一性,進一步降低了實現(xiàn)QAH所需溫度。近日,加州大學圣塔芭芭拉分校A. F. Young課題組在與h-BN對齊的扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中觀測到了QAH效應(yīng)。

 

本文要點:

1本征強相互作用將電子極化為具有單自旋/能谷分辨的莫爾微帶(陳數(shù)C = 1),從而驅(qū)動了QAH效應(yīng)的產(chǎn)生。

2與磁摻雜系統(tǒng)相比,所測得的輸運能隙大于相應(yīng)的磁性轉(zhuǎn)變居里溫度,在無外磁場的情況下,小于0.1%克里青常數(shù)的量子化現(xiàn)象能在幾百個開爾文的溫度下發(fā)生。

3低至1nA的電流能可控地切換具有相反極化態(tài)的磁序,形成電可擦寫磁存儲器。

 

總之,該工作發(fā)現(xiàn)了雙層石墨烯的QAH效應(yīng),并基于此實現(xiàn)了極小電流切換磁序。

 

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圖2. 在1.6 K溫度下,扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯的量子反常霍爾效應(yīng)。

 

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圖3. 電控磁切換。


參考文獻:

M. Serlin et al. Intrinsic quantized anomalous Hall effect in a moiré heterostructure. Science, 2020.

DOI: 10.1126/science.aay5533

https://science.sciencemag.org/content/367/6480/900

 

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除此之外,麻省理工學院Joshua P. Wakefield和Joseph G. Checkelsky對這兩項工作進行了深入點評,并對量子反常霍爾效應(yīng)的過去、現(xiàn)在和未來進行了系統(tǒng)評述。

 

由于學術(shù)知識有限,在此不做進一步展開報道。更多信息,請參考原文閱讀。

 


參考文獻:

Joshua P. Wakefield, Joseph G. Checkelsky.Two paths to intrinsic quantization. Science 2020.

https://science.sciencemag.org/content/367/6480/848


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