量子失常霍尔效应的试验观测和领会(四)
来源:电视电话会议网 发表于2019-07-23 14:35:47 编辑:惠若琪
摘要: 量子失常霍尔效应的试验观测和领会(四) 薛其坤? 延伸到FeSe高温超导体系 咱们相同使用分子束外延(MBE)的方法长出原子级平坦的FeSe超导薄膜(图1),

 

量子失常霍尔效应的试验观测和领会(四)

 

量子失常霍尔效应的试验观测和领会(四)

 

量子失常霍尔效应的试验观测和领会(四)

 

量子失常霍尔效应的试验观测和领会(四)

 

量子失常霍尔效应的试验观测和领会(四)

量子失常霍尔效应的试验观测和领会(四)

薛其坤?

延伸到FeSe高温超导体系

咱们相同使用分子束外延(MBE)的方法长出原子级平坦的FeSe超导薄膜(图1),然后以 黑马 的姿势进入凝聚态物理另一个十分重要的范畴 高温超导体系,并于2019年在《科学》杂志宣布了相关文章。从多年前做半导体GaAs时把握的一些根本经验开端,到Bi2Se3、FeSe 和FeTe 的薄膜制备,能够看到这些由两种元素反响构成的化合物资料的成长条件是十分相似的,许多东西都是相通的。所以,对试验物理学家而言,学术的长时刻堆集和试验技能的展开十分重要。

图1 原子级平坦的FeSe超导薄膜。

拓扑绝缘体根本性质的试验证明

处理了根本的资料问题,立刻就要进入第二步 拓扑绝缘体理论上预期了许多风趣的物理现象,那么怎么能看到这些根本性质呢?咱们很快用另一台先进仪器证明了拓扑态的时刻反演对称性、拓扑态是一个无质量的狄拉克费米子体系等定论,这些作业先后在2009年、2019年的《物理谈论快报》(PRL)上宣布。咱们用到的仪器是极低温强磁场STM-MBE联合体系,在400mK的温度下能够加11个特斯拉的强磁场。(图2)这样,我和陈曦、马旭村、谢心澄等一同,在对拓扑绝缘体根本物理性质的研讨方面也取得了一些效果,并先后当选2019年度 我国高等学校十大科技展开 和 我国科学十大展开 。咱们的团队成员还获得了2019年度求是出色科技成就团体奖和2019年度陈嘉庚科学奖。

图2 极低温强磁场STM-MBE联合体系。

第三步:探究别致的物理效应

回过头来看,咱们首先用先进的试验技能处理了拓扑绝缘体的资料问题,接下来又与不同范畴多位科学家协作,证明拓扑绝缘体有许多十分好的根本物理性质。可是对物理学来说,咱们的作业还有必要能看到实实在在的物理效应。所以第三步,也是对理论展开十分重要的一步,便是咱们终究能不能看到别致的物理效应呢?

虽然拓扑绝缘体的研讨现已继续多年,但在咱们的作业成功之前,相关范畴还不曾呈现过一个十分重要的物理效应发现。假如这种状况继续下去,包含咱们在内、国际上许多在这方面一无所得的物理学家或许都要打退堂鼓了。所以能否观测到别致的物理效应实际上决议着这个范畴的展开。

在别致物理效应的探究方面,咱们分了三个不同的组。一个组探究完成量子失常霍尔效应,何珂、王亚愚是这个组中年青而优异的先头兵,我和马旭村在后面做监督;另一个组研讨马约拉纳(Majorana)费米子,它的粒子等于它的反粒子,这个假如能在拓扑效应中看到也很有意思,贾金锋在上海交大做了相关作业;最终,我和陈曦还做了一些其他方面的研讨,如磁单极的研讨等。

早在1988年,美国普林斯顿大学的霍尔丹(F. D. M. Haldane)就预期了没有磁场的量子霍尔效应。拓扑绝缘体范畴呈现之后,张首晟、日本学者永长直人(Nagaosa)和华人学者牛谦等都预期了怎么由拓扑绝缘体完成量子失常霍尔效应。其间,有种理论预言以为用拓扑绝缘体原始资料再加上磁性资料掺杂,使它变得有磁性,不就能够完成量子化的失常霍尔效应了吗?2006年,清华校友祁晓亮和导师张首晟证明了在拓扑绝缘体外表加磁性能够发生量子失常霍尔效应。后来,刘朝星、祁晓亮、戴希、方忠、张首晟提出在Hg1-yMnyTe中也或许完成量子失常霍尔效应的观念。2019年头,李润中、王靖、祁晓亮、张首晟提出我在前文中说到的Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3等化合物的磁性掺杂从理论上来讲也是能够的。更近一步的是,在磁性掺杂理论根底上,戴希、方忠、张首晟以为假如将某类资料做成薄膜的话,就会发生量子失常霍尔效应。由于咱们在对这类资料的研讨方面有十分好的根底,所以立刻以此为方针展开了相关试验。美国麻省理工学院、斯坦福大学,日本东京大学,德国维尔茨堡大学等高校都有进行同类试验的研讨组,但迄今为止除了咱们,没有一个组能完成真实量子化的失常霍尔效应。

资料要求上的难度

 

这个试验的难度终究有多大呢?先讲资料要求上的难度。量子失常霍尔效应的完成对资料的要求有三点:(1)资料有必要具有铁磁性然后存在失常霍尔效应;(2)既然是磁性的拓扑绝缘体,即便加了磁性今后,资料有必要仍是绝缘的,也便是体内电子对导电没有任何奉献;(3)资料的电子结构有必要具有拓扑特性 完成 电子高速公路 的一维导电通道。关于这三点,王亚愚有个生动的比方:就像一个人,既要有短跑运动员的速度,又要有篮球运动员的高度,还要加上体操运动员的灵活。一个人一同做到这三点很不简略,就相当于咱们对资料提出了简直不或许完成的严苛要求。把资料做到具有铁磁性从物理上讲很简略,能够多掺一点铁、镍。但一旦有铁磁性之后,它就很难绝缘了。之前讲过,两个顶尖专家的试验标明,一个两元的化合物都很难绝缘,假如加上铁、钴、镍这样的磁性资料,就更难做到绝缘了,所以第二点简直是不或许完成的。第三点,磁性掺多了会损坏铁磁特性,掺少了又不构成拓扑特性,因而把握 火候 也不是很简略。

咱们最终完成量子失常霍尔效应的资料是Cr0.15(Bi0.1Sb0.9)1.85Te3,即便对学化学的人来说,这也是一个十分复杂的分子式,况且咱们是做物理的。假如一开端有人预期说Bi2Te3、Sb2Te3和Cr的化合物会呈现量子失常霍尔效应,我或许一看就觉得不或许,不会往下做。可是咱们从最根本的资料开端,一步一步走下去,居然就找到了这样一个十分复杂的资料。

资料质量上的严重应战

之前我谈到了《科学》杂志宣布文章中的两元化合物Bi2Te3,斯坦福大学的费舍尔为了制造这个样品,把高纯度的锑与碲在石英管中均匀混合,石英管在700℃的温度下加热两个小时,再花4天时刻降到475℃。让两种资料均匀反响并加上前期预备试验的话,做一个样品的全进程需求5天时刻,但它仍是导电的。这么顶尖的专家都做不到,只能阐明这个资料的确很难发现。普林斯顿大学的卡瓦制备Bi2Se3,是把高纯度的铋Bi和硒Se均匀混合,在石英管中加热到850℃,再用两天时刻降到650℃,保温一周,整个试验需求10天,仍然导电。东京大学的十仓好纪(Yoshinori Tokura)也是十分优异的物理学家,他地点的团队也是在铋和碲方面做,将高纯原资料均匀混合,在石英管中加热两天,温度为800℃,用一周缓慢降温成长单晶,也需求10天,相同是导电的。因而,这不是一项简略的作业。

图3 整个试验室一个十分有机的协作进程。

咱们寻觅的方法和他们不一样,功率也更高些。何珂用MBE-STM-ARPES联合体系加上王亚愚的霍尔效应(Hall effect)输运体系,两台机器一同协作, 从2019年1月开端测验完成量子失常霍尔效应。咱们的方针是h/e2 = 25812.807557 Omega;(量子霍尔电阻 rho;xy)。它绝缘,并且也应该是量子化的。咱们用分子束外延(MBE)技能进行磁性掺杂,用扫描隧道显微镜(STM)进行外表描摹丈量,看它是否均匀,然后用角分辩光电子能谱(ARPES)剖析其电子结构,之后要把5纳米的薄膜安全地维护起来,再进行电输运、磁性丈量,一个周期下来要两三天,有时丈量需求24个小时乃至48小时。由此咱们开端了一个十分有机的协作进程。(图3)

(未完待续。本文依据薛其坤院士2019年4月27日做客清华论坛所作陈述编辑整理。编辑整理/程曦 张硕 向小雨 贾霄宇 马逸昕 韩靖北 周诗宇)

来历:新清华2019-09-13 第1929期

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2019年09月16日 11:02:26

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