我國科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)

由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜，清華大學(xué)、中科院物理所和斯坦福大學(xué)的研究人員聯(lián)合組成的團(tuán)隊(duì)在量子反?；魻栃?yīng)研究中取得重大突破，他們從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)。

130年多前，美國物理學(xué)家霍爾先后發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)和反?；魻栃?yīng)，1980年德國科學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，1982年美國科學(xué)家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，這兩項(xiàng)成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。由此，物理學(xué)家認(rèn)為量子霍爾效應(yīng)家族中也應(yīng)該存在量子反?；魻栃?yīng)。但如何使其現(xiàn)身，并在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到成為近些年凝聚態(tài)物理學(xué)家探索的重要難題之一。拓?fù)浣^緣體這個(gè)新領(lǐng)域出現(xiàn)之后，2006年, 美國斯坦福大學(xué)/清華大學(xué)張首晟教授領(lǐng)導(dǎo)的理論組成功地預(yù)言了二維拓?fù)浣^緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng)，并于2008年指出了在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體中可實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的新方向。2010年，我國理論物理學(xué)家方忠、戴希等與張首晟教授合作提出Cr或Fe摻雜的Bi2Se3,Bi2Te3和Sb2Te3族三維拓?fù)浣^緣體薄膜可能是實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體的最佳體系。但是, 要在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)反?；魻栃?yīng)的量子化需要拓?fù)浣^緣體材料同時(shí)滿足三項(xiàng)非常苛刻的條件：材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦詮亩哂袑?dǎo)電的一維邊緣態(tài)；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反?；魻栃?yīng)；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而對(duì)導(dǎo)電沒有任何貢獻(xiàn)。在實(shí)際的材料中實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都具有相當(dāng)大的難度，而要同時(shí)滿足這三點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來講是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，德國、日本、美國的科學(xué)家由于無法在材料中同時(shí)滿足這三點(diǎn)而未取得最后的成功。

自2009年起，在薛其坤院士的帶領(lǐng)下，清華大學(xué)物理系王亞愚、陳曦和賈金鋒與中科院物理所馬旭村、何珂、王立莉和呂力組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，與張首晟、方忠和戴希等理論物理學(xué)家合作，開始向量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)發(fā)起沖擊。

在過去近四年的時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)生長和測(cè)量了超過1000個(gè)樣品，克服了重重障礙，一步步實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁性摻雜拓?fù)浣^緣體高質(zhì)量薄膜的生長、表面電子態(tài)的觀測(cè)、特別是對(duì)其電子結(jié)構(gòu)、磁有序態(tài)和能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控。

2012年10月，該團(tuán)隊(duì)利用分子束外延生長了Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3薄膜，將其制備成輸運(yùn)器件并在極低溫環(huán)境下對(duì)其磁電阻和反?；魻栃?yīng)進(jìn)行了精密測(cè)量。他們發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場(chǎng)中的反?；魻栯娮柽_(dá)到了量子霍爾效應(yīng)的特征值h/e2 ～25800歐姆。該成果投到美國《科學(xué)》（Science）雜志，很快被接受，并于北京時(shí)間3月15日以"Experimental observation of the quantum anomalous Hall effect in a magnetic topological insulator"為題在線發(fā)表。