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。

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.

量子霍尔效应

从经典的霍尔效应开始 ,比较系统地。

整数量子霍尔效应的问题与解答

本文的目的是让学生运用学过的大学物理中的量子力学知识来解释整数量子霍尔效应 .在探究问题的过程中需要掌握薛定谔方程及其对线性谐振子的解 ,用对易算符建立相应的本征值 ,熟悉周期性边界条件 。

莫尔超晶格中的分数化拓扑量子态

带有分数化准粒子激发的分数量子霍尔态是一种奇特的强关联拓扑量子物态,自1982年在强磁场二维电子气中被首次观测到以来一直是凝聚态物理重要的前沿方向.去年来,有多个团队在基于过渡金属硫族化合物和石墨烯的莫尔超晶格中观测到了零磁场分数量子霍尔效应,在莫尔超晶格中还发现了分数量子自旋霍尔效应的迹象.这表明莫尔超晶格体系能够有效调控能带及相互作用,是在零磁场条件下实现分数化拓扑量子态的理想平台.本文简要论述了与此相关的研究进展和存在的挑战,并对该领域未来可能的发展方向做出展望.

双层石墨烯中的偶数分母分数量子霍尔态

在半填充的朗道能级,复合费米子手征p波配对的Moore-Read态具有e/4的分数激发,其中部分这种准粒子服从非阿贝尔统计,有望用于实现拓扑量子计算.双层石墨烯由于其电子的SU(4)对称性和电场对其性质的方便调控性,成为研究多分量量子霍尔态的理想平台,是实现非阿贝尔统计的候选者.本文利用干法转移技术制备了双层石墨烯/氮化硼异质结,通过电学输运测量展示了双层石墨烯在调节外电场和磁场下的量子霍尔态行为.在强磁场下,观测到了朗道能级填充因子为–5/2,–1/2,3/2的伴随着量子化霍尔电导的不可压缩态.随着磁场继续增强,这些偶数分母量子霍尔态特征先增强再减弱,对应朗道能级波函数的极化.实验结果暗示观察到的这些偶数分母分数量子霍尔态属于由Pffafian波函数描述的拓扑态.

量子霍尔效应和诺贝尔物理学奖

瑞典皇家科学院宣布,1998年度的诺贝尔物理学奖由美国斯坦福大学的劳克林(R.B.Laughlin)、哥伦比亚大学的施特默(H.L.Strmer)和普林斯顿大学的崔琦(D.C.Tsui)分享,以表彰他们发现分数量子霍尔效应,以及对分数量子霍尔液体在实验上和理论上的贡献。与之相应的是,德国物理学家冯·克利青(K.vonKlitzing)因发现整数量子霍尔效应而获得1985年度的诺贝尔物理学奖。两个一脉相承的物理现象被授予两次诺贝尔物理学奖,这是非同寻常的。

揭秘量子反常霍尔效应实验团队的85后

至今，凝聚态物理学界还处在“兴奋“之中。从那篇载着“中国科研团队首次实现‘量子反常霍尔效应。”成果的论文3月14日在线发表于美国《科学》杂志后．消息便从不同渠道被报道出来．其中最为吸引外界眼光的是有关”诺贝尔奖”的字眼．与其相关的两项研究——整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应的发现者分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。

我国发现量子反常霍尔效应,可制备全新的低能耗高速电子器件

今年三月,山清华大学薛其坤院士领衔,清华大学、中国科学院物理所和美国斯坦福火学的研究人员联合组成的团队,在美国《科学》杂志上在线发表：首先在实验上发现曾披理论上预言的量子反常霍尔效应。在此之前,1980年,德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应,于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年,美籍华裔物理学家崔琦、美国物理学家施特默等发现了分数量子霍尔效应,

我国科学家首次观测到三维量子霍尔效应

霍尔效应描述了当磁场加载到金属和半导体上时,电力与磁力之间的一种相互关系。近140年来,国际科学界相继发现了霍尔效应和量子霍尔效应。近期,中国科学家首次在毫米级的碲化锆材料上观测到了三维量子霍尔效应。日前,国际学术期刊《自然》发表了该研究成果。“这一新的实验发现,给了我们一个新的材料体系,其中也能产生拓扑序。”

霍尔效应的发展及应用

以霍尔效应的发展历史为脉络 ,从经典霍尔效应入手 ,系统地阐述了霍尔效应的原理、整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应和它们在实际中的应用 。

具有分数电荷元激发的新型量子液体

１９９８年１０月１３日瑞典皇家科学院宣布，将１９９８年度诺贝尔物理学奖授予斯坦福大学教授美国人罗伯特·Ｂ·劳克林，哥伦比亚大学教授德国人霍斯特·Ｌ·施特默和生于中国河南省的普林斯顿大学教授崔琦，表彰他们发现了一种具有分数电荷元激发的新型量子液体。新量...

从分数量子霍尔效应到拓扑量子计算

分数量子霍尔效应系统是奇异的量子液体,其中的准粒子激发可以带分数电荷,甚至具有非阿贝尔的统计性质。理论研究表明,这些准粒子可以用来实现在硬件上可容错的量子计算,即拓扑量子计算。文章在介绍分数量子霍尔效应及其在拓扑量子计算中的潜在应用基础上,重点回顾了近五年来对填充因子为5/2的分数量子霍尔态中非阿贝尔准粒子的实验探测和部分相关理论诠释。

分数量子霍尔效应——1998年诺贝尔物理学奖介绍

１９９８年１０月，三位美国科学家，ＤａｎｉｅｌＴｓｕｉ（崔琦，美籍华裔科学家）、ＨｏｒｓｔＳｔｏｒｍｅｒ（美籍德裔科学家）和ＲｏｂｅｒｔＬａｕｇｈｌｉｎ，因他们在发现分数量子霍尔效应方面所作出的杰出贡献而获得诺贝尔物理学奖．文章力图从物理角度概要介绍分数量子霍尔效应的主要物理现象和机制．