研究快讯 | 量子反常霍尔效应多层结构的实验实现

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研究快讯 | 量子反常霍尔效应多层结构的实验实现

2018 年 6 月 30 日 中国物理学会期刊网

原文已发表在CPL Express Letter s栏目

Received 8 June 2018; online 9 June 2018

量子反常霍尔效应多层结构的

实验实现

量子反常霍尔效应是一种无需外加磁场的量子霍尔效应。它不但可以用来构建多种新奇拓扑量子物态，还是量子霍尔效应在电子学器件中实际应用的关键。早在1988年，量子反常霍尔效应就由霍尔丹（F. D. M. Haldane, 2016年诺贝尔物理学奖获得者）理论预言。直到2012年底，由清华大学和中国科学院物理研究所薛其坤等人的团队在磁性拓扑绝缘体薄膜中实验发现。目前人们观测到的量子反常霍尔效应都具有一个量子电阻h/e² (h为普朗克常数，e为电子电量)的平台，这意味着在每个边缘只具有一条无耗散量子通道。传统量子霍尔系统可以在不同磁场下呈现高阶量子霍尔效应，即具有多条无耗散量子通道。实现具有多个量子通道的高阶量子反常霍尔效应不但是一个重要的物理问题，还可以推进量子反常霍尔效应在低能耗电子器件和芯片互连中的应用。然而，尽管已出现了几个理论预言，这种高阶量子反常霍尔效应一直未能实验实现。

清华大学何珂、王亚愚、薛其坤研究团队的姜高源、冯洋等通过生长磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜和CdSe(0001)薄膜的多层结构，首次在实验上实现了高阶的量子反常霍尔效应。CdSe是一种能隙高达1.74 eV的正常绝缘体，其(0001)面具有和可显示量子反常霍尔效应的磁性掺杂(Bi,Sb)₂Te₃拓扑绝缘体相近的晶格常数。该团队利用分子束外延方法在Cr、V共掺杂(Bi,Sb)₂Te₃量子反常霍尔效应薄膜上制备出了高质量的CdSe单晶薄膜，发现其与磁性拓扑绝缘体形成了良好的外延关系。不仅如此，他们发现拓扑绝缘体层的体能隙完全处于CdSe体能隙之内，二者可以构成I类量子阱结构。他们利用分子束外延方法生长出磁性拓扑绝缘体和CdSe的超晶格结构，并观测到样品在零磁场下的霍尔电阻呈现h/Ne² (N为磁性拓扑绝缘体层数)的平台，这清楚表明了高阶量子反常霍尔效应的实现。

此项研究不但标志着一个等效的高陈数量子反常霍尔效应系统的首次实验实现，还为构筑其他新奇拓扑相奠定了基础。例如，通过对这种量子反常霍尔多层结构层厚的调控可以实现仅具有一对外尔点的磁性外尔半金属，这种物质相对外尔半金属相关研究至关重要，但直到现在还未能获得一种可以得到实验完全确认的该种材料。此外，在量子反常霍尔效应双层结构还可以探索类似量子霍尔双层结构中激子凝聚、库仑拖曳等和电子关联相关的现象。这种多通道量子反常霍尔系统还可以有效降低在电极“热点”处的能量耗散，这对于量子霍尔态在低能耗电子器件中的应用有重要意义。

在分子束外延生长的Cr、V共掺杂的(Bi,Sb)₂Te₃（CVBST）与CdSe超晶格中观测到的不同阶数的量子反常霍尔效应。图(a)-(d)分别对应CVBST层数由1到4的样品的测量结果，蓝色曲线为霍尔电阻，红色曲线为纵向电阻。

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CPL | Express Letter

Quantum Anomalous Hall Multilayers Grown by Molecular Beam Epitaxy

Cite: Chin. Phys. Lett. 35 077401 (2018)

Cite: Chin. Phys. Lett. 29 037402 (2012)

Times Cited: 441

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