Transcript 量子反常霍耳效应

量子反常霍耳效应
华东师范大学
钱振华
（一）霍耳效应
• 1897年美国科学家霍耳发现，当电流通过
在磁场中的导体板时，如图导体板两侧a、
b上产生电势差UH，这就是所谓的霍耳效应，
该电势差叫做霍耳电压。
• 利用洛仑兹力与电场力平衡
quB=qUH/l
而 I=ldnqu 或u=I/ldqn
因此 UH=BI/nqd=1/nq•BI/d=kBI/d
其中n为单位体积内的载流子数
k称为霍耳系数，与n成反比
金属的k很小（因n很大）
半导体的k大很多（因n较小），半导体材料制成的
霍耳片可作各种测量，如B，T，V…等
（二）量子霍耳效应
• 20世纪70年代以来，半导体技术发展很快，
半导体物理学中兴起一个崭新的领域
----二维电子系统。
特点：在薄层内的电子被限制在很窄的势阱
中，因此在与表面垂直方向上，形成一系
列的能级，运动状态是量子化的，而在与
表面平行方向上的电子运动是完全自由的。
霍耳电阻
• 在半导体中常把霍耳电压与垂直于霍耳电场方向
的电流之比称为该样品的霍耳电阻RH，即
RH=UH/I=1/nq•B/d=B/nsq
其中ns=nd为载流子的面密度
1980年德国维尔兹堡大学的年青物理学家克里
青在低温（约几K）、强磁场（约1T-10T）下研究
二维电子系统的霍耳效应时，发现霍电阻并不象
以上经典公式指出的与磁场B成线性坛长，而是有
规律地成台阶形上升，台阶的高度为一个物理常
数h/e2除以整数i，即
•
RH=B/nse=h/ie2
i=1，2，3…
• 式中h为普朗克常数，e为电子电荷
• RH与样品的种类、结构、尺寸都无关
这一现象称
量子霍耳效应。
电阻单位的新基准
• 国际计量委员会下属电学咨询委员会
（CCE）决定：从1990年起国际上将以量
子霍耳效应所得的量子霍耳电阻h/e2来代表
欧姆的国家参考基准，其值为95812.807Ω。
***算一算h/e2的单位是不是电阻的单位欧姆
［ h/e2］=［J•s/C2］=［V/A］=［Ω］
分数量子霍耳效应
• 1982年美国贝尔实验室的美藉华裔科学家崔琦等
人在研究极低温（约0.1K）、超强磁场（大于10T）
下的二维电子系统的霍耳效应时又发现量子霍耳
电阻的量子数还可取分母为奇数的分数，即i=1/3，
2/3，2/5，3/5，4/5…这种量子现象称为分数量子
霍耳效应，而把以上取整数的称为整数量子霍耳
效应。
• 分数量子霍耳效应是一种全新的量子现象，他的
理论解释导致了人们对宏观量子现象的一大突破。
量子霍耳效应的相关研究已三获诺贝尔物理奖
• 1985年德国克里青 整数量子霍耳效应
• 1998年美国崔琦、施特默、劳克林 分数量
子霍耳效应
• 2010年英国安德烈•海姆、康斯坦丁•诺沃
肖洛夫 2005年发现石墨烯中的半整数量
子霍耳效应
（三）量子反常霍耳效应
• 在铁磁性材料中，无需外加电场也会产生
霍耳效应-----1880年霍耳的又一个发现，这
一现象称为反常霍耳效应。
• 1988年有人现出可能存在不需要外加磁场
的量子霍耳效应-----量子反常霍耳效应。但
许多年过去了这方面的研究，一直没有取
得突破，进展甚微。
中国科学家的重大突破
2010年，我国理论物理学家方忠、载希等与拓扑绝缘体开拓
者张首晟合作，提出了磁性掺杂的三维拓扑绝缘体可能是
实现量子反常霍耳效应的最佳体系。
2012年10月，中科院院士、清华大学物理系教授薛其坤为首
的团队，终于成功观测到了量子反常霍耳效应。他们经过
四年的努力，生长测量了1000多个样品，利用分子束外延
方法，生长出了高质量的Cr掺杂（Bi，Sb）的拓扑绝缘体
薄膜，此材料在零磁场中的反常霍耳电阻达到了量子霍耳
电阻的特征值h/e2（25800Ω），终于在实验上观测到了这
一特别的量子现象。
美国《科学》杂志2013年3月14日在线发表了这一研究成果。
量子反常霍尔效应示意图
评价
• “这个研究成果是从中国实验室里，第一次
发表出来的诺贝尔物理奖级的论文，这不
仅是清华大学，中科院的喜事，也是整个
国家发展中的喜事。”
------诺贝尔物理奖得主、清华大学 高等研究
院名誉院长杨振宁
谢谢！