《科学》关注中国科学家发现

来源:光明日报 2013-4-16 余晓葵

【内容提要】

  4月12日出版的《科学》杂志刊登《完整的量子霍尔家族三重奏》一文,对由清华大学薛其坤院士领衔,清华大学物理系和中科院物理所联合组成的实验团队,在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中,从实验上首次观测到的量子反常霍尔效应进行了评述。

  中国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应引起国际物理学界巨大反响。4月12日出版的《科学》杂志刊登《完整的量子霍尔家族三重奏》一文,对由清华大学薛其坤院士领衔,清华大学物理系和中科院物理所联合组成的实验团队,在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中,从实验上首次观测到的量子反常霍尔效应进行了评述。

  美国新泽西州立大学物理与天文系教授赛翁希克在文章中称,中国科学家“证实了期待已久的量子反常霍尔效应的存在,这是量子霍尔家族的最后一位成员”,它和此前发现的量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应“组成了量子霍尔家族的三重奏”。

  文章称,前期的理论预言指出,量子反常霍尔效应能够通过抑制HgTe系统中的一条自旋通道来实现。遗憾的是,由于无法在这个材料系统实现铁磁性,即而无法实现量子化反常霍尔效应。后来又有理论预言指出,将Bi2Se3这种拓扑绝缘体材料做薄并且进行磁性掺杂,就有可能实现量子霍尔电阻为h/(ve2)的量子反常霍尔效应。这个理论预言现被中国科学家通过实验证实。

  文章介绍,中国科学家战胜一系列非常困难的材料问题,将实验材料的体导电和表面导电通道完全被抑制掉。通过对材料各种参数进一步的不断优化,他们最终实现了无外加磁场情况下量子化的霍尔电阻。

  他们观察到的量子反常霍尔效应的性质是非常稳定的。首先,为了避免自旋翻转散射的影响,观测量子自旋霍尔效应需要微小尺寸的样品,而量子反常霍尔效应能够在几百微米量级的宏观尺度下实现。其次,让人称奇的是,这种严格的量子化能够在具有相当低的迁移率和非零体导电通道的材料中实现。这些都说明量子反常霍尔效应比量子自旋霍尔效应要稳定得多,可以媲美甚至比量子霍尔效应有更强的适应能力。

  观测到的量子反常霍尔效应的严格量子化和无耗散通道的存在可能能够用于很多应用中。比如,这种边缘态可以用来作为自旋电子器件所需的的无耗散自旋过滤通道。不需要外加磁场的精准的霍尔电阻可以方便地用来做电阻标准。但是目前谈这些应用还为时过早。这是因为:现有材料体系的铁磁性居里温度还很低,加上材料在其他方面的不尽如人意,量子反常霍尔效应只有在极低的温度下才能观察到。然而,通过在材料上的突破,未来量子反常霍尔效应将可能广泛地应用在人们每天使用的移动电子器件上。

  另据新华社此间报道,赛翁希克认为,这一成果获得诺贝尔奖的“机会很大”,但不是单独获得,很可能是与拓扑绝缘体领域的其他相关工作一起共同获得。赛翁希克特别提到斯坦福大学华裔教授张首晟,称赞其为“拓扑绝缘体领域的开创者之一”。张首晟入选中国国家“千人计划”,并担任清华大学特聘教授,在拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、自旋电子学、高温超导等领域有杰出贡献。

  新华社报道称,美国利海大学教授黄正民同样认为中国科学家的成果“绝对有可能”获得诺贝尔奖。黄正民认为,过去10年,中国在物理和材料等领域的基础研究上取得了突飞猛进的发展。“像中科院和清华的研究水平绝对可以和世界上其他一流研究机构相比。《科学》上的这篇论文就证明了这一点。”

2013年04月16日 16:11:48  清华新闻网

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