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复旦大学:首次观察到三维量子霍尔效应!资讯科技新闻

  • 公海堵船
  • 2019-06-04
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简介    资料来源:复旦大学物理系薛海贤(音译)观察到了由地形半金属砷化镉纳米片中的外部轨道形成的新的三维量子霍尔效应的直接证据,并从二维到三维迈出了关键

    资料来源:复旦大学物理系薛海贤(音译)观察到了由地形半金属砷化镉纳米片中的外部轨道形成的新的三维量子霍尔效应的直接证据,并从二维到三维迈出了关键的一步。北京时间12月18日零点,相关研究成果发表在《自然》杂志(DOI:10.1038/s41586-018-0798-3)上,标题为“Cd3As2中Weyl轨道量子霍尔效应”。休海贤,通讯作者,复旦大学物理系博士生张诚,康奈尔大学博士后张毅,复旦大学物理系博士生袁翔,合著者。合著第一作者:张诚,张毅,袁翔;通讯作者:秀海仙;第一单位:复旦大学物理系;论文集:10.1038/s41586-018-0798-3。随着这一成果的诞生,美发师认为砷化镉的研究才刚刚起步。这是一部作品。我们首次提出了一个新的机制,也得到了认可。但是,仍然有一些东西可以挖掘得更深更具体。我认为我们需要继续做好工作。这一次我们发现了三维量子霍尔效应,为今后进一步的科研和探索提供了一定的实验依据。此外,这种材料系统在应用中具有很高的迁移率,并且电子的传输和响应非常快。它可以制作一些红外探测和电子自旋的原型器件。背景:量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理学的重要科学发现之一。到目前为止,四个诺贝尔奖都与此直接相关。但是,一百多年来,科学家们一直在研究二维系统中的量子霍尔效应,从未涉及三维领域。早在130年前,美国物理学家霍尔就发现,在导电体上加一个垂直于电流方向的磁场会使电子的轨迹偏转,并在导体的纵向方向产生电压。这种电磁现象被称为“霍尔效应”。如果电子被限制在二维平面内,在强磁场的作用下,电子的运动可以在导体边缘一维,变成“基于规则”和“遵守秩序”。然而,以前的实验已经表明,量子霍尔效应只能发生在二维或准二维系统中。”例如,这个房间除了上下表面中间还有一个空间。众所周知,在“天花板”或“地”上,电子可以沿着“边界线”有规律地移动,一个向前,一个向后,就像两列火车沿着轨道奔驰一样。那么在三维空间中呢?量子霍尔效应在三维系统中存在吗?如果是,电子的运动机制是什么?当我们在砷化镉纳米片中看到这种现象时,我们震惊了。量子霍尔效应如何出现在三维系统中?2016年10月,当邵海贤和他的团队首次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到量子霍尔效应时,他们惊喜不已,就像看到汽车飞向空中一样。不久,他们的发现发表在《自然通讯》上。随后,在样品制备过程中,我们学习了美发师团队先前发表的经验,日本和美国的科学家也在同一系统中观察到这种效应。遗憾的是,根据当时的实验结果,电子运动的实际机理还不清楚。他们的假设是,一种可能的方式是通过上表面到下表面,电子垂直移动;另一种方式是电子在上表面和下表面上独立地形成量子霍尔效应,即在二维系统中。研究小组决定把砂锅打碎。但是,当面对大约千分之一头发大小的实验材料时,我们该怎么办呢?起初,他们不知道怎么做。”我们把房子弄歪了!”虽然实验材料很小,但是灵感来自日常生活。理发师的团队想出了一个创新的方法来使用楔形样品来实现可控的厚度变化。当屋顶倾斜时,房子上下表面之间的距离就会改变。通过测量量子霍尔平台的磁场,可以用公式计算量子霍尔阶跃。发现电子在轨道运动中的轨道能量直接受样品厚度的影响。这表明电子运动的时间随样品的厚度而变化。因此,证明了电子在纵向运动中的隧穿行为与样品的厚度有关。这种隧穿行为也是非耗散的,因此可以确保电子在整个回旋加速器中仍然被量子化。到目前为止,三维量子霍尔效应的谜团终于被揭开了。本文的重点是基于新型量子霍尔效应Cd3As2。认为三维量子霍尔效应来源于外轨道。利用楔形Cd3As2纳米片,发现样品的厚度对量子霍尔输运有很大影响。朗道能级对磁场强度、方向以及样品厚度的依赖关系与理论预测一致。图1中霍尔轨道中量子霍尔效应的图文快速解法。二维量子霍尔效应图。C:基于外轨道的三维量子霍尔效应图。D,e:基于楔形样品,给出了不同厚度下测量到的输运性质的图表。图2楔形样品的量子霍尔效应1。在x轴方向,厚度发生变化。图3楔形样品2在Y轴方向上的量子霍尔效应。通过测量量子霍尔平台的磁场,可以用公式计算量子霍尔阶跃。图4使样品在Y-Z平面内倾斜,导致霍尔电阻不对称。图5.外轨道中Landau水平偏移的分析。2007年,他获得了加州大学河滨分校的博士学位。从2008年到2011年,我在洛杉矶加州大学做博士后研究。2011年,他是爱荷华州立大学的助理教授。2012年,他被选入青年千人计划,2013年,他加入了复旦大学,并得到了有清和浦江人才计划的支持。秀海贤的研究小组主要从事拓扑狄拉克材料的生长、量子控制和新型二维原子晶体的器件研究。在狄拉克材料领域,我们致力于新量子材料的生长、物理性能的测量以及量子器件的制备和表征。主要研究了二维材料的电、磁、光电特性。近十年来,在《自然材料》、《自然纳米技术》、《自然通讯》、《JACS》、《纳米快报》等学术期刊上发表了100多篇SCI论文。

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