修发贤课题组发现基于外尔轨道的三维量子霍尔效应
发布时间: 2018-12-18     文章作者:     访问次数: 256

“你说这么薄的二维吗?”澳门太阳城手机端物理学教授傅法贤教授拿起一张A4纸:“这个厚度至少有几十微米,但真正的二维是几个原子层。只有几纳米,是纸张厚度的万分之一。“

量子霍尔效应是自20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一。到目前为止,已有四个诺贝尔奖与此直接相关。但是一个多世纪以来,科学家们一直致力于研究量子霍尔效应的二维系统,并且从未涉及三维领域。

最近,澳门太阳城手机端物理系的研究小组首次在这一领域取得了重大突破。在拓扑半金属镉镉纳米片中观察到由口腔轨道形成的新的三维量子霍尔效应的直接证据。从2D到3D的关键步骤。

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12月17日,相关研究成果在线发表《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》(Nature,DOI: 10.1038/s41586-018-0798-3。)主题为“《自然》”(基于Weyl轨道的量子霍尔效应在Cd3As2中) Xiu Faxian是交流的作者。张成,澳门太阳城手机端物理系博士生,澳门太阳城手机端校友,康宁大学博士后研究员张宁,袁翔,博士生。澳门太阳城手机端物理系是共同的第一作者。

给电子“定规矩” 三维量子霍尔效应真的存在吗?

农民的市场经常挤满拥挤的人群。在导体中移动的电子也是如此。没有明确的方向和轨迹,导体会在运动过程中升温并产生能量损失。

但秩序井然的高速公路则不同。汽车有自己的路线,他们无法回头看,也不会碰撞。如果电子可以做同样的事情并按照一定的规则有序地移动,那么在传输过程中能量损失将大大减少。

早在130多年前,美国物理学家霍尔发现垂直于电流方向的磁场被施加到通电导体上,并且电子的轨迹将被偏转以在纵向上产生电压。指挥。这种电磁现象是“霍效应”。如果电子被限制在二维平面中,在强磁场的作用下,电子的运动可以在导体的边缘一维移动,变成“统治规则”和“保持秩序” “。

然而,先前的实验已经表明,量子霍尔效应仅发生在二维或准二维系统中。 “例如,在这个房间里,除了上表面和下表面之外,中间还有一个空间。”夏法贤用双手上下画画。众所周知,在“天花板”或“地面”上,电子可以有序地跟随“边界线”,其中一列面向前方,一列向后,就像两列在各自的轨道上驰骋。那么,在三维空间?

在三维系统中是否存在量子霍尔效应?如果是这样,电子的运动机制是什么?

把“房子”放歪 发现来源于外尔轨道的运动机制

“当我们在砷化镉纳米片中看到这种现象时,我们非常震惊。量子霍尔效应是如何出现在3D系统中的?“2016年10月,Xiu Faxian和他的团队第一次使用了高质量的3D。当在砷化镉纳米片中观察到量子砷效应时,就像看着汽车飞向空中一样惊人。

很快,他们的发现发表在《自然·通讯》上。随后,在样品制备过程中,Xiu Faxian团队发布的经验被用于早期阶段。日本和美国的科学家也在同一系统中观察到了这种效应。但不幸的是,根据当时的实验结果,实际的电子运动机制尚不清楚。

研究小组提出了他们的猜想:一种可能的方法是从上表面到下表面穿过身体,电子做垂直运动;另一种可能性是电子在上表面和下表面上,即在两个二维系统中。 ,量子霍尔效应是独立形成的。

研究小组决定打破砂锅并问结束。但是面对千分之一的实验材料的头发,闪电般的电子运动速度,这个实验怎么办?起初,他们不知道如何开始。

“我们把'房子'放在地上!”实验材料很小,但灵感可以来自日常生活。 Xiu Faxian团队想到了一种创新性地使用楔形样品来实现可控厚度变化的方法。 “屋顶倾斜,房屋上下表面之间的距离发生变化。”修法显画出一个“十字形梯形”。

通过测量出现在量子霍尔平台上的磁场,可以使用该公式导出量子霍尔步长。实验发现,电子轨道运动的能量直接受到样品厚度的影响。这表明随着样品厚度的变化,电子的运动时间也会发生变化。因此,电子相对于样品的厚度与纵向运动相关,并且证明了隧穿行为。

“电子设备在上表面转了四分之一圈,越过下表面,完成了另一个四分之一圈,然后横穿回到上表面,形成一个半闭环。这种隧道行为也是非耗散的,所以它可以保证在整个陀螺仪运动中电子仍然被量化。“席法贤说,整个轨道是一个三维的“德国轨道”,这是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源。

此时,三维量子霍尔效应之谜终于揭开神秘面纱。

坚守基础性研究 培育未来科学家

六年前,Xiu Faxian回到中国,加入了澳门太阳城手机端物理系。 2014年,在拓扑半金属领域,Xiu Faxian选择了一种非常好的砷砷材料体系。 “尝试研究它”,预计“它将失去控制”。从大型材料到大型薄膜,再到纳米结构和纳米单体,秀发传都让学生们不知疲倦地工作,享受它。

为了这一成就的诞生,Xiu Faxian认为这一点刚刚开始于砷化砷的研究。 “这是一项工作。我们首次提出了一种新的机制,我们已经得到了认可。但是还有更多的事情可以深入挖掘,还有更具体的事情。我希望继续做得好。 “

修宪贤也是一名有九名博士生的老师。星期三,他不得不在晚上与学生们举行小组会议,交换他们在研究中的成果和困难,并说几句话。他希望他的工作不仅可以做出很好的研究工作,还可以培养学生成为未来可以独立的科学家。

要说“小苗”长成“大树”并不容易,科学研究之路并不容易。

该项目已经完成了三年,论文的第一作者张成也在实验室工作了三年。三天内可以制作三个样品。如果他们中的一个能够拥有良好的品质,那就很幸运。该项目至少需要几十个可以测量量化现象的样本。结果,需要生产实际样品。可以想象,花费在样品制备上的时间和精力。

样品很难做到,随后的保存和测量更加困难。为了确保量子霍尔效应的出现,材料必须保持极高的电子迁移率,并且不允许“混入”杂质。但是谈论起来有多容易?在预测量之后,将适当的样品带到世界各地的强磁场的中心,以在更高的磁场下进行电测试。长途旅行,匆忙,并始终小心,以防止样品被氧化。

强磁场中心的实验条件良好,但可用的实验时间可能只有短短一周。时差尚未逆转,将轴转动几天的工作必须立即开始。该实验不是机械重复手册。在最新的测量数据出来后,应调整实验策略和方法并及时重复,以便在后续测量中获得所需的实验结果。为了提高效率,张成和袁翔总是带着睡袋,实验间隙直接在隔壁办公室。

我经历了很多苦难,但每个人都感到很有价值。 “我也被纠结了,但多年来我一直坚持从事基本和原创的工作。”夏先贤说,基本和独创性使他和团队兴奋不已。 “从那时起,三维量子霍尔效应就被复活了!”

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