我国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应

我国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应

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在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破，他们从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。

130年多前，美国物理学家霍尔先后发现了霍尔效应和反常霍尔效应，1980年德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应，1982年美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应，这两项成果分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理奖。由此，物理学家认为量子霍尔效应家族中也应该存在量子反常霍尔效应。但如何使其现身，并在实验上观测到成为近些年凝聚态物理学家探索的重要难题之一。拓扑绝缘体这个新领域出现之后，2006年, 美国斯坦福大学/清华大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中可实现量子反常霍尔效应的新方向。2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作提出Cr或Fe掺杂的Bi2Se3,Bi2Te3和Sb2Te3族三维拓扑绝缘体薄膜可能是实现拓扑绝缘体的最佳体系。但是, 要在实验上实现反常霍尔效应的量子化需要拓扑绝缘体材料同时满足三项非常苛刻的条件：材料的能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态；材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应；材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度，而要同时满足这三点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战，德国、日本、美国的科学家由于无法在材料中同时满足这三点而未取得最后的成功。

自2009年起，在薛其坤院士的带领下，清华大学物理系王亚愚、陈曦和贾金锋与中科院物理所马旭村、何珂、王立莉和吕力组成的实验团队，与张首晟、方忠和戴希等理论物理学家合作，开始向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。

在过去近四年的时间里，团队生长和测量了超过1000个样品，克服了重重障碍，一步步实现了对磁性掺杂拓扑绝缘体高质量薄膜的生长、表面电子态的观测、特别是对其电子结构、磁有序态和能带拓扑结构的精密调控。

2012年10月，该团队利用分子束外延生长了Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3薄膜，将其制备成输运器件并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。他们发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2 ～25800欧姆。该成果投到美国《科学》（Science）杂志，很快被接受，并于北京时间3月15日以"Experimental observation of the quantum anomalous Hall effect in a magnetic topological insulator"为题在线发表。