垂直磁化NiCo_(2)O_(4)外延薄膜中的反常霍尔效应研究

亚铁磁材料NiCo_(2)O_(4)具有高度可调的电荷、自旋、轨道、晶格和缺陷效应,其良好的室温垂直磁各向异性使其在自旋电子学器件中具有重要应用。研究采用磁控溅射法在MgAl 2O_(4)(001)衬底上制备了NiCo_(2)O_(4)薄膜,其具有平整的表面形貌和良好外延结构。12和16 nm的NiCo_(2)O_(4)薄膜均呈现良好的垂直磁各向异性,16 nm的NiCo_(2)O_(4)薄膜中还出现了非常规的电输运特性,从200 K开始,随温度上升,其反常霍尔效应曲线表现出多步磁矩翻转现象,这种变化是由于NiCo_(2)O_(4)中多个磁相的互相叠加。NiCo_(2)O_(4)优异的磁电特性及其高度可调性,为设计高性能自旋电子学器件提供了实验依据。

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。

Ta/Pt双底层Co/Ni多层膜的反常霍尔效应

通过JGP560A型磁控溅射仪制备了一系列以Ta/Pt为底层的Co/Ni多层膜样品,研究了多层膜中Pt缓冲层厚度、周期层中Co与Ni厚度以及多层膜周期数对样品反常霍尔效应和磁性的影响。结果发现:逐渐增厚的Pt层可以使样品的矫顽力增加,但是分流作用会导致样品的霍尔电阻降低,通过比较确定Pt缓冲层的厚度为2nm;磁性层中Co和Ni都处于一定厚度范围内时,多层膜的霍尔回线才能具有良好的矩形度,当厚度超出其特定范围时,多层膜的矩形度会变差,经过分析确定磁性层中Co和Ni的厚度为均0.4nm;磁性层的周期数对样品的性能也有着显著的影响,最终通过对周期数优化获得的最佳样品结构为Ta(2nm)Pt(2nm)Co(0.4nm)Ni(0.4nm)Co(0.4nm)Pt(1nm),该样品的霍尔回线矩形度非常好,霍尔信号明显,该样品总厚度在7nm以内,可进一步研究其在垂直磁纳米结构中的应用。

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.

基于反常霍尔效应的薄膜磁滞回线测量系统的原理与设计

随着制备工艺和要求的提高,磁性薄膜样品的厚度越来越薄,采用传统的测量方法难以准确测量其磁滞回线。本文探讨反常霍尔效应产生原理,提出了一种新的磁滞回线测量方法,以反常霍尔效应所产生的反常霍尔电压与薄膜样品的磁化强度成正比为测量原理,采用四探针测量方式,在薄膜样品表面水平通以恒定电流后,测量其垂直方向的反常霍尔电压,从而最终绘制样品的磁滞回线。大量实验表明,该测量方法稳定可靠,精度较高,符合测量要求。

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.

氮化铁薄膜中反常霍尔效应的研究

通过磁控溅射方法制备了氮含量不同的氮化铁薄膜,观察到随着氮含量的增加,薄膜的导电机制从金属到半导体的转变。霍尔电阻的测量表明在高电阻区域反常霍尔电阻率与纵向电阻率的标度律为线性,即反常霍尔效应遵循斜散射机制,但相应的反常霍尔电导率与纵向电导率的关系不总是线性。

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.

量子反常霍尔效应 诺奖级发现 荣膺未来科学大奖 高温超导机理研究“7-11”教授 倡导大国工匠精神

薛其坤,1963年12月出生于山东省临沂市,材料物理专家,中国科学院院士,清华大学副校长。1984年毕业于山东大学光学系激光专业,1984—1987年在曲阜师范大学物理系工作,1990年获中国科学院理学硕士学位,1994年获理学博士学位,1998年为中国科学院物理所研究员、博士生导师,

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.

钉扎在高温超导体反常霍尔效应中的作用

研究了钉扎在高温超导体反常霍尔效应中的作用。将从Ginzburg-Landau(GL)理论出发推导出的扩展幂律方程应用到高温超导体霍尔效应中,并详细考虑钉扎效应,得到了霍尔电阻在低温低场端分别关于温度和磁场的两个标度律,不同高温超导体的实验数据可以很好地标度在一起。同时,基于含时GL理论的结果并考虑钉扎效应,给出了一组描述存在一次或多次霍尔反号的高温超导体的霍尔电导方程。

分子束外延Mn_(4)N单晶薄膜的反常霍尔效应研究

Mn_(4)N是立方相的反钙钛矿型晶体,具有显著的亚铁磁性和反常霍尔效应.该文利用等离子辅助分子束外延在MgO(100)衬底上生长厚度为40 nm的Mn_(4)N(100)单晶薄膜,通过X射线衍射θ扫描和φ扫描,证实外延层的结构符合Mn_(4)N单晶的空间结构特征;化学态测试结果表明Mn_(4)N(100)薄膜内部存在Mn^(0)、Mn^(2+)和Mn^(4+)等几种价态,其实际化学式为Mn_(3.6)N,薄膜中存在富余的N元素;电学测试数据表明Mn_(4)N(100)薄膜具有以电子为载流子的反常霍尔效应(在正磁场中得到负的霍尔电阻率),正常霍尔效应的贡献约占千分之六,其反常霍尔电阻率随着测试温度升高5 K~350 K单调增大,说明温度升高导致电子散射现象加剧.通过对测试数据分析可以推断,在5 K~50 K和50 K~75 K温度范围,反常霍尔效应的来源可分别归结为电子斜散射机制和电子边跳机制.在75 K~350 K这一温度范围内,反常霍尔效应主要来源于与能带结构相关的内禀机制.

非晶Sm_xCo_(1-x)薄膜的反常霍尔效应研究

为了研究量子效应对磁性薄膜低温输运性质的影响,采用直流磁控溅射方法,通过改变Sm质量分数,制备了厚度约为100 nm的非晶Sm_xCo_(1-x)系列薄膜。输运性质测量发现,由于结构的高度无序,薄膜出现了显著的弱局域化效应。当温度低于50 K时,Sm_xCo_(1-x)薄膜的纵向电阻率和反常霍尔电阻率均随温度降低而呈对数增长。基于Mitra等人提出的颗粒模型,计算了弱局域化效应对纵向电导率和反常霍尔电导率的修正,并进一步分析了反常霍尔电导率与纵向电导率之间的依赖关系。结果表明x=5,29%和x=16,7%样品中弱局域化效应对霍尔电导的修正为零,与理论分析结果一致。

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。

Bi/Pt底层对Co/Ni多层膜反常霍尔效应的影响

采用直流磁控溅射法在玻璃基片上制备了一系列分别以Pt和Bi/Pt为底层的Co/Ni多层膜样品。通过研究Bi的厚度、周期层数、周期层中的Co和Ni的厚度以及退火温度对样品反常霍尔效应的影响,最终获得了霍尔效应最强、良好的霍尔曲线矩形度,同时具有良好的垂直各向异性的最佳样品Bi(1nm)/Pt(5nm)/[Co(0.3nm)Ni(0.5nm)]1/Co(0.3nm)/Pt(1nm)。实验表明,退火处理有利于增强反常霍尔效应。

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.

n-Ge中单峰型反常霍尔效应的理论研究

理论分析表明不同于ｎ－Ｇｅ中双反转型和凹陷型反常霍尔效应，ｎ－Ｇｅ 中的单峰型反常霍尔效应是由于样品中的反型区形成一逾渗集团．在此基础上的定量计算结果与Ｋｏｎｏｒｏｖａ