拓扑平带上的分数量子反常霍尔效应(一)

拓扑平带模型属于著名Haldane模型的扩展版本,至少有一个能带具有非平庸的拓扑性质,即有非零的陈数(Chern number),而且该能带的带宽很窄,同时与其他能带间有较大能隙.最近通过对拓扑平带上强关联相互作用的费米子和玻色子晶格体系的系统数值进行研究,发现了一类新奇的阿贝尔型和非阿贝尔型分数量子霍尔效应.新发现的分数量子霍尔效应不同于传统朗道能级上的连续型分数量子霍尔效应,无须外加强磁场,有较大特征能隙,可在较高温度下存在,无需单粒子朗道能级,不能用常规Laughlin波函数描述.这些无外加磁场、无朗道能级的分数化现象,定义了一类新的分数拓扑相,也称为分数陈绝缘体,其中的分数量子霍尔效应也称为分数量子反常霍尔效应.该新领域在近期引起了国际凝聚态物理学界的研究热情与广泛关注.对笔者与合作者在该领域的系列研究工作进行综述介绍,以期引起国内外同行的进一步研究兴趣.

拓扑平带上的分数量子反常霍尔效应(二)

拓扑平带模型属于著名Haldane模型的扩展版本,至少有一个能带具有非平庸的拓扑性质,即有非零的陈数(Chern number),另外,该能带的带宽很窄,且与其他能带间有较大能隙.通过对拓扑平带上强关联相互作用的费米子和玻色子晶格体系的系统数值研究,发现了一类新奇的阿贝尔型和非阿贝尔型分数量子霍尔效应.新发现的分数量子霍尔效应不同于传统朗道能级上的连续型分数量子霍尔效应,无须外加强磁场,有较大特征能隙,可在较高温度下存在,无需单粒子朗道能级,不能用常规Laughlin波函数来描述.这些无外加磁场、无朗道能级的分数化现象,定义了一类新的分数拓扑相,也称为分数陈绝缘体,其中的分数量子霍尔效应也称为分数量子反常霍尔效应.该新领域在近期引起了国际凝聚态物理学界的研究热情与广泛关注.对笔者与合作者在该领域的系列研究工作进行了综述介绍,以期引起国内外同行的进一步研究兴趣.

我国首次实现光子的分数量子反常霍尔态

量子模拟实验有了重大突破。记者从中国科学院2024年5月6日召开的新闻发布会上获悉,利用“自底而上”的量子模拟方法,中国科学技术大学潘建伟院士团队在国际上首次实现光子的分数量子反常霍尔态。这是量子物理学和量子信息科学领域的一个重要进展。相关研究成果在线发表于《科学》杂志上。霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时,电子受到洛伦兹力的作用,在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。这个效应由美国科学家霍尔在1879年发现,并被广泛应用于电磁感测领域。反常霍尔效应是指在没有外部磁场的情况下观测到相关效应。

α-T_(3)晶格中量子反常霍尔效应研究

量子反常霍尔绝缘体具有与普通绝缘体一样的体带隙,但在其边缘或表面有拓扑保护的导电态。量子反常霍尔效应可以通过引入自旋轨道耦合相互作用和交换场来实现。文章重点研究了α-T_(3)晶格在两种Rashba自旋轨道耦合相互作用以及交换场的作用下,通过分析体系的相图、能带结构、边缘态和拓扑不变量,理论预测该体系为实现丰富的拓扑相提供了一个平台,包括半金属相和量子反常霍尔相。同时,该体系也是一个实现谷极化量子反常霍尔相的平台。在谷极化量子反常霍尔相中,边缘输运通道集中在单个能谷中,并且在边界上单向传播,可实现无耗散的100%的谷极化。我们的研究不仅发现了丰富的拓扑相,而且为拓扑电子学以及谷电子学应用提供了一个可行的平台。

二维Kagome晶格Cd_(2)P_(3)中的量子反常霍尔效应

自量子反常霍尔效应在实验上被观测到以来,其丰富的物理特性便引起了科研界的巨大关注。该类体系在本征磁性的作用下,时间反演对称被打破,并在边缘处形成能量无耗散的边缘态,这一性质使其成为未来低功耗电子元器件的绝佳备选材料。通过第一性原理计算探究了Kagome晶格Cd_(2)P_(3)的电子、磁性性质以及拓扑结构,能带图显示导带与价带以线性交叉的形式在费米能级处形成一个Weyl点。在不考虑自旋轨道耦合时Cd_(2)P_(3)为狄拉克半金属态,引入自旋轨道耦合后费米能级打开一个9meV的带隙,并激发布里渊区的非零陈数C=1。此外,我们通过海森堡模型预测了该体系的居里温度为94K,计算结果表明Cd_(2)P_(3)与目前的实验体系相比能在更高温的环境下实现量子反常霍尔效应,这使得Cd_(2)P_(3)成为一个研究拓扑性质以及高温量子反常霍尔效应的理想平台。

磁性拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应

量子反常霍尔绝缘体,有时也被称为陈数绝缘体,是不同于普通绝缘体和拓扑绝缘体的一类新的二维绝缘体,该体系具有可被实验观测的特殊物理性质—量子反常霍尔效应。该体系的物态不能用朗道对称性破缺理论来描写,而要用到拓扑物态的概念。它的发现也经历了从反常霍尔效应的内秉物性阐释,到量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体的发现,再到磁性拓扑绝缘体的理论预测与实现,并最终成功实验观测的漫长过程。由于量子反常霍尔效应的实现不需要外加磁场,而此时样品的边缘态可以被看成一根无能耗的理想导线,因此人们对于其将来可能的应用充满了期待。本文将从理论的角度简单综述该领域的发展历程、基本概念、以及相关的材料系统。

量子霍尔效应及量子反常霍尔效应的探索历程

回顾了霍尔效应、量子霍尔效应及量子反常霍尔效应的探索历程.着重叙述了1985年、1998年获得诺贝尔物理学奖的量子霍尔效应研究成果,以及在我国实验室首次观测到量子反常霍尔效应的重大成就.

量子反常霍尔效应及其应用前景

最近,由中国科学家领衔的团队首次观测到了量子反常霍尔效应,这是物理学领域的重要发现,并可能对信息技术进步产生巨大影响。文章介绍霍尔效应、量子霍尔效应及量子反常霍尔效应的概念和内涵,分析量子反常霍尔效应可能的应用,思考其发现对科学研究的启发。

具有大磁晶各向异性能的单层BaPb的室温量子反常霍尔效应

具有巨大应用潜力的二维材料在纳米技术领域引起了人们极大的研究兴趣.基于第一性原理计算,本文预测了二维六角晶格BaPb体系具有室温量子反常霍尔效应.体系磁基态是铁磁半金属态,并且自旋极化的Pb-p轨道导致体系的时间反演对称性破缺.具有非零Chern数(C=1)的单层BaPb中非平庸拓扑性来源于全自旋极化的p_(x,y)轨道形成的二次型非狄拉克能带.不同于之前报道的pz轨道形成的狄拉克拓扑态很容易被衬底破坏,p_(x,y)轨道形成的σ键非常稳定.当考虑自旋-轨道耦合作用时,二次型的非狄拉克点打开了接近177.39 meV的非平庸带隙.通过反常霍尔电导、陈数、贝里曲率和边缘态的计算,证实了BaPb非平庸的拓扑性.此外,体系还表现出每个单元52.01 meV的大磁晶各向异性能.

1998年诺贝尔物理学奖——分数量子霍尔效应的发现

1998年10月13日瑞典皇家科学院决定把1998年诺贝尔物理学奖颁发给美国加州斯坦福大学的劳克林(R.B.Laughlin,1950-)、美国纽约哥伦比亚大学与新泽西州贝尔实验室的施特默(H.L.Stormer,1949-)和美国新泽西州普林斯顿大学电气工程系的崔琦(D.C.Tsui,1939-),以表彰他们发现和解释了分数量子霍尔效应。分数量子霍尔效应是一种很复杂的现象,为了说明它的基本内容。

石墨烯中量子反常霍尔效应研究进展

量子反常霍尔效应是一种存在于二维电子气中,具有无带隙的手性边缘态但体态绝缘的物理现象.不同于强磁场下量子化朗道能级引起的量子霍尔效应,量子反常霍尔效应可通过引入自旋轨道耦合相互作用以及交换场来实现.作者回顾了量子反常霍尔效应的研究进展,评述了石墨烯中的量子反常霍尔效应.通过理论模型预言在石墨烯体系中引入交换场破坏时间反演对称性,通过考虑Rashba自旋-轨道耦合,可在狄拉克点打开一个拓扑非平庸的量子反常霍尔效应体能隙,进一步分析解释其物理根源.讨论了几种实验原型,尝试通过外部操控在石墨烯中实现量子反常霍尔效应.

中国科学家发现量子反常霍尔效应

诺贝尔奖获得者杨振宁表示。

磁性拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应

量子反常霍尔效应是一种不需要外磁场、具有手性边缘态的量子化霍尔效应,可以用于构建其他新奇量子态和发展未来低功耗电子学器件等.该全新的量子效应于2012年首先由中国科学家在五层Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体薄膜中实现.在过去七年间,经过大家的努力,其观测温度从最初的30 mK已经提高到2 K左右,进一步提高量子反常霍尔效应的观测温度是目前该领域主要的研究方向之一,是许多拓扑量子效应走向应用的关键因素.本文主要总结了量子反常霍尔效应研究的实验进展,特别在提高其观测温度方面的研究进展.文章包括四个部分:前两个部分分别介绍磁性掺杂和磁性近邻拓扑绝缘体体系中量子反常霍尔效应研究,第三部分介绍最新发现的内禀磁性拓扑绝缘体体系,最后一部分对设计和构造高温量子反常霍尔效应系统的原理和路线图给出一些建议和展望.

石墨烯量子反常霍尔效应体系中的量子干涉效应

为了研究量子边缘态间的干涉效应,以锯齿型石墨烯纳米带为基础,通过引入外部自旋轨道耦合及磁交换场,在石墨烯纳米带中实现量子反常霍尔效应。在此基础上,构造弱耦合量子散射腔,并采用紧束缚近似下的哈密顿模型和非平衡格林函数方法,研究经由2个耦合边界反射的量子边缘态间的量子干涉效应。结果表明:弱磁场下,2个理想的反射边缘态间产生A-B干涉效应,随着磁场的变化,透射系数发生周期性的相长或相消干涉,干涉周期和穿过散射腔的磁通成反比。此外,干涉效应对杂质散射和体态非常敏感。因此,通过观测量子干涉效应可以定性地判断体系是否存在真正的边缘态。

薛其坤:追梦圆梦量子反常霍尔效应

“天道酬勤,在所有错误都尝试过之后,最后走向成功,这就是追求极致的最大回报”。一直以来,薛其坤都用追求极致的严格标准来要求自己和学生,正是有了这种极限的努力、不断创新的精神,才有了实验上首次量子反常霍尔效应的发现。

中国科学家薛其坤首次在实验上发现量子反常霍尔效应

3月15日凌晨，由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中科院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队，历时4年完成的研究报告——量子反常霍尔效应——在《科学》杂志上发表。这项被3名匿名评审人给予高度评价的成果，是在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后，首次实现的反常霍尔效应的量子化，也因此被视作“世界基础研究领域的一项重要科学发现”。被视作“有可能是量子霍尔效应家族最后一个重要成员”的被中国科学家首次在实验上独立观测到。

中国科学家首次发现量子反常霍尔效应

近日，《科学》杂志在线发文，宣布中国科学家领衔的团队首次在实验上发现量子反常霍尔效应。该发现或将对信息技术进步产生重大影响。

“量子反常霍尔效应”研究取得重大突破

由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队，经过数年不懈探索和艰苦攻关，最近成功实现了“量子反常霍尔效应”．这是国际上该领域的一项重要科学突破．

量子反常霍尔效应成果预示新时代来临

中国科学家从实验中首次观测到量子反常霍尔效应，英国牛津大学专家对此发现予以高度评价，并指出这一成果预示着一个令人兴奋的新朝代的来临。