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高陈数与高温无朗道能级量子霍尔效应的首次发现

Science China Press

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IMAGE: (a) 两层MnBi2Te4 的原子结构示意图;(b) 高陈数 (C=2)无朗道能级的量子霍尔效应;(c) 具有两个无耗散边界态的陈绝缘体态示意图;(d),(e) C=1的高温无朗道能级的量子霍尔效应;(f) C=1的高温无朗道能级的量子霍尔效应相图。 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

量子霍尔效应,因无耗散的拓扑边界态表现出霍尔电阻为量子电阻的整数倍而纵向电阻为零的特殊输运性质,在物质科学和精密测量领域都占据着极为重要的地位。量子霍尔效应的产生需要体系形成显著的朗道能级,三个重要的前提条件不可或缺:物质材料极高的迁移率、强外加磁场和极低温。这些苛刻的条件极大地限制了量子霍尔效应的实际应用。在此背景下,能否在高温下实现无朗道能级的量子霍尔效应,成为物理学研究的重大课题。1988年,美国物理学家霍尔丹首次提出了一种无朗道能级的量子霍尔效应(陈绝缘体态)实现方案。终于在2013年,薛其坤院士领导的研究团队在Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜中观测到了陈数为1的陈绝缘体态,即量子反常霍尔效应。磁性原子掺杂导致了自发磁化,因此量子反常霍尔效应的实现无需朗道能级的参与。相较于量子霍尔效应,量子反常霍尔效应同样具有无耗散的导电边界态,且更有利于实现低耗散电子器件。但是,前期的量子反常霍尔效应方案只能提供单个无耗散的导电边界态,且需要极低温的工作环境。因此,如何实现更多的无耗散导电边界态,以及如何提高量子反常霍尔效应的工作温度,不仅是物质科学领域最为重要的研究方向之一,也有望推动无耗散或低耗散电子器件与集成电路的发展。

最近,北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授与清华大学物理系徐勇副教授、清华大学机械学院的吴扬副研究员等组成的合作研究团队在无朗道能级的量子霍尔效应研究上取得了重要突破,在锰铋碲(MnBi2Te4)中发现了非朗道能级引起的高陈数和高温量子霍尔效应。该工作以“High-Chern-Number and High-Temperature Quantum Hall Effect without Landau Levels”为题在线发表于《国家科学评论》(National Science Review) 上:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa089。 北京大学王健教授与清华大学徐勇副教授为文章共同通讯作者,北京大学博士生葛军、刘彦昭与清华大学博士生李佳恒、李昊为共同一作。研究团队在磁性拓扑材料MnBi2Te4的少数层电输运器件中,首次发现了具有两个无耗散边界态且工作温度高于10开尔文的陈绝缘体态(高陈数陈绝缘体)。此外,通过降低样品的厚度,团队首次在高达45开尔文的温度(超过奈尔温度)下观测到了具有单个无耗散边界态的陈绝缘体态(高温陈绝缘体)。这些发现表明如果能够选对合适的材料与参数,未来有望实现室温陈绝缘体态或量子反常霍尔效应,真正意义上构筑无耗散或低耗散的信息高速公路,带来信息科学与技术方面的变革。

MnBi2Te4是一种新型的层状磁性拓扑材料,如图a所示,单层MnBi2Te4在单胞中包含7个原子层,形成Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te七重层,可以将其看作是将Mn-Te双层插入到了Bi2Te3五重层的中心。研究人员制备出了多个不同厚度的MnBi2Te4电输运器件。在9层和10层的器件中,霍尔电阻在5 特斯拉的磁场下形成了一个值为1/2个量子电阻的平台,代表两个无耗散边界态的出现;与此同时纵向电阻趋近于零,这是陈数为2的陈绝缘体态的典型特征(图b,c)。其中10层器件的高陈数陈绝缘体态可以一直保持到10 开尔文以上的温度。研究人员进一步研究了厚度对陈绝缘体态的影响。在7层和8层的器件中,同样施加了5 特斯拉的磁场,观测到了值为1个量子电阻的霍尔平台和同时趋近于零的纵向电阻,也就是陈数为1的陈绝缘体态。更重要的是,7层器件中的量子化温度高达45开尔文(图d, e),8层器件中的量子化温度也超过了30开尔文,显著高于器件的反铁磁转变温度(奈尔温度),图f所展示的相图清晰的表明了7层器件中陈绝缘体态随着温度变化的演变过程。

由于传统的量子霍尔效应同样可以产生量子化的霍尔平台,所以有必要排除体系的朗道能级对实验结果的影响。研究人员分析了被测试器件的迁移率,发现所测试器件的迁移率在100-300 cm2 V−1 s−1之间,在这样的迁移率下,要想看到由朗道量子化导致的量子霍尔效应,通常需要施加30 特斯拉以上的磁场,远大于实验观测到量子化霍尔平台所需要的磁场值。此外,研究人员通过栅压调控等手段改变了器件的载流子类型,发现量子化的霍尔平台值与器件的载流子类型无关,排除了量子化的霍尔平台来自朗道能级的可能性。

研究人员通过理论计算揭示了实验观测到的陈绝缘体态的来源。面外铁磁排列的MnBi2Te4块材可以实现理论上最简单的磁性外尔半金属,仅在费米面附近存在一对外尔点。将其剥离为薄膜材料时,由于量子限域效应的存在,少层的MnBi2Te4器件表现为陈绝缘体,并且系统的陈数随层厚而变化,在体能隙中可以容纳多个无耗散的导电通道,这一理论预言与上述实验结果相契合。高陈数陈绝缘体的发现也为MnBi2Te4中存在磁性外尔半金属态提供了间接证据。

在磁性拓扑材料中发现的高陈数以及高温陈绝缘体态,必将激励面向室温的量子反常霍尔效应的相关研究,为未来物理、材料、信息科技领域的重大突破奠定基础。

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文章信息:

High-Chern-Number and High-Temperature Quantum Hall Effect without Landau Levels https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa089

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