磁性拓扑绝缘体中的量子化反常霍尔效应研究取得进展

2010-7-05 00:00 来源: 物理研究所
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图1:量子霍尔效应(左)与量子化反常霍尔效应(右)的比较示意图

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室方忠、戴希研究组在无需外磁场的量子霍尔效应研究中取得重要进展。本工作发表在《科学》杂志上【R.Yu,et.al., Science, 3June2010, DOI:10.1126/Science.1187485】。

  霍尔效应是凝聚态物理中非常重要的实验现象之一。1879年Edwin Hall观测到在一个金属平板中通过纵向的电流,并在垂直于金属平面的方向上外加一个磁场后,会在金属平面的横向方向上观测到电压,称之为霍尔效应。霍尔效应的产生是由于在磁场中运动的电子会感受到洛伦兹力的影响。由于霍尔效应的大小直接与样品中的载流子浓度相关,故在凝聚态物理领域获得了广泛的应用,成为金属和半导体物理中一个重要的研究手段。1880年Edwin Hall又在一个具有铁磁性的金属平板中发现,即使是在没有外加磁场的情况下(或弱外场),也可以观测到霍尔效应。这种铁磁性材料中的霍尔效应后来被称之为反常霍尔效应。虽然反常霍尔效应与正常霍尔效应看起来非常相似,但是其物理本质却有着非常大的差别,这主要是因为在没有外磁场的情况下不存在着外场对电子的轨道效应。最近几年的研究进展认识到反常霍尔效应的出现直接与材料中的自旋-轨道耦合及电子结构的Berry相位有关。在具有自旋-轨道耦合并破坏时间反演对称性的情况下,材料的特殊电子结构会导致动量空间中非零Berry相位的出现,而该Berry相位的存在将会改变电子的运动方程,从而导致反常霍尔效应的出现。这是通常所说的反常霍尔效应“本征机制”。

  霍尔效应的量子对应---量子霍尔效应,是凝聚态物理发展历史中里程碑式的重要量子现象。在前面讨论正常霍尔效应的基础上,如果外加磁场足够强、温度足够低,材料体内的所有电子都被局域化到了分立的朗道能级上,形成一个完全绝缘的状态。然而这时,材料的边界仍然可以导电,形成一些没有“背散射”的导电通道(也就是不受杂质散射影响的理想导体),从而导致量子霍尔效应的出现。其中整数与分数量子霍尔效应分别于 1985年和1998年两度获得诺贝尔奖。量子霍尔效应之所以重要,在于它是一种全新的量子物态---拓扑有序态。凝聚态物质中的各种有序态的出现一般都伴随着某种对称性的破缺,同时伴随有局域序参数及其长程关联的出现。而在量子霍尔效应中不存在局域的序参量,对该物态的描述需要引入拓扑不变量的概念。对于量子霍尔效应而言,该拓扑不变量就是整数的Chern-number。

  从2005年开始,人们逐步认识到除了量子霍尔效应以外,还存在着多种具有不同的拓扑性质的量子态。重要的是这些不同的拓扑量子态都可以在凝聚态物质中,通过材料设计而实现,使得广泛的实验研究成为可能。最近几年研究得比较多的是具有时间反演对称性的拓扑绝缘体,它可以通过Z2--不变量来刻画。典型的二维的Z2拓扑绝缘体是HgTe/CdTe量子阱,其中最直接的物理现象就是可以观察到量子自旋霍尔效应。对于三维的拓扑绝缘体而言,其材料实现并不是那么直接的。2009年,中科院物理研究所的方忠、戴希研究组,通过计算预言了一类三维的强拓扑绝缘体系统(Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3)具有约0.3eV的体能隙,可以在室温下保存其拓扑性质【H.J.Zhang, et al., Nature Phys., (2009)】。后续的多个实验结果证实了该理论预言的正确性。

  到目前为止,多种不同的拓扑绝缘体都纷纷被发现。回过头来我们突然发现,一类最基本的破坏了时间反演对称性的二维磁性拓扑绝缘体还没有被找到。前面谈到,在低温强磁场下的二维电子气会进入一种拓扑量子态,在此拓扑量子态中可以观察到量子霍尔效应,然而遗憾的是这并不是真正的拓扑绝缘“体”,该效应的出现需要借助于外加的强磁场,或者说需要有朗道能级的出现。我们是否能够找到一种真正的二维磁性拓扑绝缘体材料,它本身就具有特殊的拓扑量子态,在不需要外加磁场的情况下就能够观察到量子霍尔效应(这时应被称为量子反常霍尔效应)?这是这项研究工作所要瞄准的关键问题。同时进行这样的探索研究还具有很重要的应用价值。若能实现无外加磁场的量子化反常霍尔效应,其边缘态可被看成是一根“理想导线”,不存在由于杂质势而导致的背散射,电阻极低,能耗极小。如果我们能够在现有的电子学技术中利用这种边缘态,将极大的克服Moore定律的极限。

  方忠、戴希等人发现,在拓扑绝缘体材料(Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3)的薄膜中通过掺杂过渡金属元素(Cr 或者 Fe)可以实现量子化的反常霍尔效应。这里最关键的问题是通过磁性掺杂,借助Van Vleck顺磁性,可以实现磁性的拓扑绝缘体,磁性居里温度可以达到70K的量级。通过第一性原理计算和理论分析,他们发现这一磁性原子掺杂体系与一般的稀磁半导体有明显的不同,这里不需要有载流子,体系仍然保持着绝缘体的状态,且可以实现铁磁的长程有序态。而且由于薄膜中掺杂原子的自旋极化与强烈的自旋 -轨道耦合,在这一体系中无需外加磁场,也无需相应的朗道能级,在适当的杂质掺杂浓度和温度下,就可以观察到量子化的反常霍尔效应。这一发现为低能量耗散的新型电子器件设计指出了一个新的发展方向。

  该工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委、科技部国家基础研究重大发展计划和国际科技合作计划的支持。