拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应.PDF

拓拓扑扑绝绝缘缘体体与与量量子子反反常常霍霍尔尔效效应应 何珂, 王亚愚 and 薛其坤 Citation: 科学通报 59, 3431 (2014 ); doi: 10.1360/N972014-00938 View online: htt :///doi/10.1360/N972014-00938 View Table of Contents:htt :/// ublisher/sc /journal/CSB/59/35 Published by the 《中国科学》杂 社 Articles you may be interested in 量子反常霍尔效应 国家科学评论 1, 38 (2014); 于渌 ：中国凝聚态物理的进展和未来 国家科学评论 2, 371 (2015); 分数量子霍尔效应的实验新进展 国家科学评论 1, 564 (2014); 锡烯的研究进展 科学通报 61, 3252 (2016); CoFeB/ Pt 反常霍尔效应标度关系的研究 中国科学: 物理学 力学 天文学 42, 705 (2012); 2014 年 第59 卷 第35 期：3431 ~ 3441 《中国科学》杂志社 评 述 拓扑绝缘体与未来信息技术 SCIENCE CHINA PRESS 拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应 * 何珂 , 王亚愚, 薛其坤 清华大学物理系, 低维量子物理国家重点实验室, 北京 100084 * 联系人, E-mail: kehe@ 2014-09-09 收稿, 2014-10-11 接受, 2014-11-10 网络版发表 国家自然科学基金和科技部重大科学研究计划(2012CB921300)资助 摘要 量子霍尔效应是一种可以在宏观尺度出现的量子现象, 由二维电子系统在强磁场下 关键词 所具有的独特拓扑性质所引起. 长期以来人们一直希望能够实现不需外磁场的量子霍尔效 量子反常霍尔效应 应, 以便将其应用于低能耗电学器件. 磁性拓扑绝缘体薄膜可能具有的量子化的反常霍尔 量子霍尔效应 效应即是一种可以在零磁场下出现的量子霍尔效应. 本文介绍了拓扑绝缘体和量子反常霍 拓扑绝缘体 磁性掺杂 尔效应的概念发展及量子反常霍尔效应如何在磁性掺杂拓扑绝缘体中实验实现, 并探讨了 量子反常霍尔效应在低能耗器件方面的应用前景. 霍尔效应是自然界最基本的电磁现象之一. 将 一个通电的导体置于垂直于电流方向的磁场中, 在 同时垂直于磁场和电流方向的导体两端会测到一个 电压, 这个效应于 1879 年由美国物理学家霍尔 [1] (Edwin Herbert Hall)首次发现, 被称为霍尔效应 . 霍尔效应的大小由霍尔电阻来衡量, 即所测得的横 向电压(也被称为霍尔电压)与电流的比值. 普通非磁 图1 (网络版彩色)量子霍尔效应(a)和量子反常霍尔效应(b) 导体的霍尔效应是由运动电荷在磁场中所受到的洛 示意图 伦兹力所引起, 霍尔电阻一般正比于磁场的大小, 比 值的正负和大小分别由导体载流子的极性和浓度决 [2] 效应被称为量子霍尔效应 . 值得注意的是, 量子霍 定, 也被称为正常霍尔效应(ordinary Hall effect, 尔效应在几毫米尺寸的样品中依然可以观测到,