拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应.docx

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 CHINAPRESS 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 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 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 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 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. 关键词 量子反常霍尔效应 量子霍尔效应 拓扑绝缘体 磁性掺杂 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 (Edwin Herbert Hall)首次发现, 被称为霍尔效应[1]. 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 导体的霍尔效应是由运动电荷在磁场中所受到的洛 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 定, 也被称为正常霍尔效应(ordinary Hall effect, O HE ) . 约 一 个 世 纪 后 , 德 国 物 理 学 家 冯 · 克 利 青 (Klaus von Klitzing)在研究半导体异质界面处的二维 导电层(称为二维电子气, two-dimensional electron gas)在低温、强磁场环境下的电输运性质时发现, 其 霍尔电阻在超过 1 T 的强磁场下偏离与磁场的线性关 系, 呈现出阶梯形状(见图 1(a)). 每个阶梯平台所对 应的电阻值精确满足 h/?e2, 其中 h 为普朗克常数, e 为电子电量, ?为一个整数. 对应于每个平台, 四端法 测得的纵向电阻会降至零, 说明电子输运是无能耗 的. 以上现象表明这是一种量子力学效应, 所以这个  图 1 (网络版彩色)量子霍尔效应(a)和量子反常霍尔效应(b) 示意图 效应被称为量子霍尔效应[2]. 值得注意的是, 量子霍 尔效应在几毫米尺寸的样品中依然可以观测到, 是 一种宏观尺度的量子现象. 处于量子霍尔态的电子 可以在宏观距离保持无能耗的运动. 量子霍尔效应 中霍尔电阻可以达到非常精确的量子化数值, 且对 样品的尺寸、杂质等因素不敏感, 因此可以用它来精 确标定电阻单位欧姆以及精细结构常数的数值. 1982 年, Tsui 等人[3]在更高迁移率的 III-V 族化 合物半导体界面的二维电子气样品中发现?为某些分 数取值的量子霍尔效应, 被称为分数量子霍尔效应. 整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现, 分 别于 1985 和 1998 年获得诺贝尔物理学奖. 它们的重 引用格 引用格式: 何珂, 王亚愚, 薛其坤. 拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应. 科学通报, 2014, 59: 3431–3441 He K, Wang Y Y, Xue Q K. Topological insulator and the quantum anomalous Hall effect (in Chinese). Chin Sci Bull (Chin Ver), 2014, 59: 3431–3441, doi: 10.1360/N972014-00938 2 2014 年 12 月 第 59 卷 第 35 期 要性在于向人们揭示了一类全新的物质形态: 拓扑 量子物态[4,5]. 拓扑是数学上的一个概念. 例如, 一个面包圈上 有一个洞, 这个洞的存在使得面包圈的表面无法通 过连续、平滑的变化变成一个像橙子一样没有洞的物 体的表面. 洞的数目就是区别二维封闭表面的一个 拓扑特征. 拓扑特征对细节和连续变化不敏感. 材料 的性质主要由其电子能带结构决定. 如果能在一个 材料的电子能带结构中找到类似