磁性拓撲絕緣體中的量子化反常霍爾效應研究取得進展

　　最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室方忠、戴希研究組在無需外磁場的量子霍爾效應研究中取得重要進展。本工作發表在《科學》雜志上【R.Yu,et.al., Science, 3June2010, DOI:10.1126/Science.1187485】。

　　霍爾效應是凝聚態物理中非常重要的實驗現象之一。1879年Edwin Hall觀測到在一個金屬平板中通過縱向的電流，并在垂直于金屬平面的方向上外加一個磁場后，會在金屬平面的橫向方向上觀測到電壓，稱之為霍爾效應。霍爾效應的產生是由于在磁場中運動的電子會感受到洛倫茲力的影響。由于霍爾效應的大小直接與樣品中的載流子濃度相關，故在凝聚態物理領域獲得了廣泛的應用，成為金屬和半導體物理中一個重要的研究手段。1880年Edwin Hall又在一個具有鐵磁性的金屬平板中發現，即使是在沒有外加磁場的情況下(或弱外場)，也可以觀測到霍爾效應。這種鐵磁性材料中的霍爾效應后來被稱之為反常霍爾效應。雖然反常霍爾效應與正常霍爾效應看起來非常相似，但是其物理本質卻有著非常大的差別，這主要是因為在沒有外磁場的情況下不存在著外場對電子的軌道效應。最近幾年的研究進展認識到反常霍爾效應的出現直接與材料中的自旋-軌道耦合及電子結構的Berry相位有關。在具有自旋-軌道耦合并破壞時間反演對稱性的情況下，材料的特殊電子結構會導致動量空間中非零Berry相位的出現，而該Berry相位的存在將會改變電子的運動方程，從而導致反常霍爾效應的出現。這是通常所說的反常霍爾效應“本征機制”。

　　霍爾效應的量子對應---量子霍爾效應，是凝聚態物理發展歷史中里程碑式的重要量子現象。在前面討論正常霍爾效應的基礎上，如果外加磁場足夠強、溫度足夠低，材料體內的所有電子都被局域化到了分立的朗道能級上，形成一個完全絕緣的狀態。然而這時，材料的邊界仍然可以導電，形成一些沒有“背散射”的導電通道(也就是不受雜質散射影響的理想導體)，從而導致量子霍爾效應的出現。其中整數與分數量子霍爾效應分別于 1985年和1998年兩度獲得諾貝爾獎。量子霍爾效應之所以重要，在于它是一種全新的量子物態---拓撲有序態。凝聚態物質中的各種有序態的出現一般都伴隨著某種對稱性的破缺，同時伴隨有局域序參數及其長程關聯的出現。而在量子霍爾效應中不存在局域的序參量，對該物態的描述需要引入拓撲不變量的概念。對于量子霍爾效應而言，該拓撲不變量就是整數的Chern-number。

　　從2005年開始，人們逐步認識到除了量子霍爾效應以外，還存在著多種具有不同的拓撲性質的量子態。重要的是這些不同的拓撲量子態都可以在凝聚態物質中，通過材料設計而實現，使得廣泛的實驗研究成為可能。最近幾年研究得比較多的是具有時間反演對稱性的拓撲絕緣體，它可以通過Z2--不變量來刻畫。典型的二維的Z2拓撲絕緣體是HgTe/CdTe量子阱，其中最直接的物理現象就是可以觀察到量子自旋霍爾效應。對于三維的拓撲絕緣體而言，其材料實現并不是那么直接的。2009年，中科院物理研究所的方忠、戴希研究組，通過計算預言了一類三維的強拓撲絕緣體系統(Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3)具有約0.3eV的體能隙，可以在室溫下保存其拓撲性質【H.J.Zhang, et al., Nature Phys., (2009)】。后續的多個實驗結果證實了該理論預言的正確性。

　　到目前為止，多種不同的拓撲絕緣體都紛紛被發現。回過頭來我們突然發現，一類最基本的破壞了時間反演對稱性的二維磁性拓撲絕緣體還沒有被找到。前面談到，在低溫強磁場下的二維電子氣會進入一種拓撲量子態，在此拓撲量子態中可以觀察到量子霍爾效應，然而遺憾的是這并不是真正的拓撲絕緣“體”，該效應的出現需要借助于外加的強磁場，或者說需要有朗道能級的出現。我們是否能夠找到一種真正的二維磁性拓撲絕緣體材料，它本身就具有特殊的拓撲量子態，在不需要外加磁場的情況下就能夠觀察到量子霍爾效應(這時應被稱為量子反常霍爾效應)?這是這項研究工作所要瞄準的關鍵問題。同時進行這樣的探索研究還具有很重要的應用價值。若能實現無外加磁場的量子化反常霍爾效應，其邊緣態可被看成是一根“理想導線”，不存在由于雜質勢而導致的背散射，電阻極低，能耗極小。如果我們能夠在現有的電子學技術中利用這種邊緣態，將極大的克服Moore定律的極限。

　　方忠、戴希等人發現，在拓撲絕緣體材料(Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3)的薄膜中通過摻雜過渡金屬元素(Cr 或者 Fe)可以實現量子化的反常霍爾效應。這里最關鍵的問題是通過磁性摻雜，借助Van Vleck順磁性，可以實現磁性的拓撲絕緣體，磁性居里溫度可以達到70K的量級。通過第一性原理計算和理論分析，他們發現這一磁性原子摻雜體系與一般的稀磁半導體有明顯的不同，這里不需要有載流子，體系仍然保持著絕緣體的狀態，且可以實現鐵磁的長程有序態。而且由于薄膜中摻雜原子的自旋極化與強烈的自旋 -軌道耦合，在這一體系中無需外加磁場，也無需相應的朗道能級，在適當的雜質摻雜濃度和溫度下，就可以觀察到量子化的反常霍爾效應。這一發現為低能量耗散的新型電子器件設計指出了一個新的發展方向。

　　該工作得到了中國科學院、國家自然科學基金委、科技部國家基礎研究重大發展計劃和國際科技合作計劃的支持。