中國科大團隊在陳數可調量子反常霍爾效應研究新進展

　　近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心國際量子功能材料設計中心與物理系教授喬振華研究組基于單層過渡金屬氧化物發現了理論上陳數可調的量子反常霍爾效應。7月14日，相關研究成果發表在《物理評論快報》上。

　　量子霍爾效應是一種在外加強磁場下朗道能級量子化導致的無耗散的量子輸運特性。然而，外加強磁場這一需求限制了該效應的實際應用。近幾十年來，探索無磁場的量子霍爾效應（即量子反常霍爾效應）吸引了眾多物理學家的關注，并在理論和實驗上取得了重要進展。目前，已提出或實現的量子反常霍爾效應集中在陳數為1（基于磁性拓撲絕緣體薄膜等）或者2（基于單層石墨烯等）的小陳數體系，而陳數的大小直接對應量子通道的多少，低陳數的現狀顯著影響量子反常霍爾器件的工作效率。在探索大陳數或者陳數可調量子反常霍爾效應方面，研究人員主要是通過控制磁性拓撲絕緣體薄膜厚度或磁性摻雜濃度的手段來實現不同陳數的量子反常霍爾效應。需要指出的是，在所有這些體系中，一旦樣品或器件制備好，相應的量子反常霍爾效應的陳數大小也被唯一確定。

　　本工作中，研究組系統研究發現，在單層過渡金屬氧化物材料NiAsO3和PdSbO3上通過外加一個弱磁場調控材料的磁化方向便可實現不同陳數的量子反常霍爾效應。研究發現，在費米能級處，這兩種材料均具有六個自旋極化的狄拉克點。在引入自旋-軌道耦合作用之后，每個狄拉克點貢獻半個量子化的霍爾電導，但方向各異。當磁化方向處于面內且破壞垂直鏡面對稱性時，其中四個狄拉克點擁有相同的貝里曲率，而剩下兩個狄拉克點處貝里曲率相反；此時，體系具有陳數為1的量子反常霍爾效應。而當磁化方向偏離體系平面時，六個狄拉克點貢獻同向的貝里曲率。此時，體系具有陳數為3的量子反常霍爾效應。該研究提供了新型的研究量子反常霍爾效應的材料平臺，并揭示了存在陳數可調的量子反常霍爾效應及其物理成因。

　　研究工作得到國家自然科學基金、安徽省與中國科大的支持。

單層PdSbO3貝里曲率的分布和能譜。（a-b）磁化方向沿x軸，（c-d）磁化方向沿z軸。（現在的圖例完全與QAHE及陳數無關）