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《Science》復旦大學張遠波團隊量子材料領域重要發現!
發布:lee_9124   時間:2020/1/30 18:54:22   閱讀:362 
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近日,復旦大學張遠波、王靖和中國科學技術大學物理系陳仙輝合作團隊首次通過實驗在本征磁性拓撲絕緣體錳鉍碲(MnBi2Te4)中觀測到量子反?;魻栃?。該研究將為未來本征材料體系中拓撲物理的研究開辟新思路。北京時間1月24日,有關研究成果以《本征磁性拓撲絕緣體錳鉍碲中的量子反?;魻栃罚?ldquo;Quantum anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4”)為題于《科學》(Science)雜志在線發表(DOI:10.1126/science.aax8156)。
 
 

一般而言,一個材料的電阻依賴于材料的幾何形狀。而 量子力學預言了這樣一類材料,它的電阻不再依賴于材料的幾何形狀、缺陷等性質。任意從這種材料的薄膜上切下一塊,它的縱向電阻(Rxx)為零,橫向電阻(Ryx)將是一個精確的物理常數(h/e2,其中h為普朗克常數,e為基本電荷),這就是量子反?;魻栃?。
“一沙一世界”——一塊晶體反映了這個宇宙的結構。量子反?;魻栃俏⒂^電子的量子現象在宏觀尺度下精確而完美的體現,也是這個真實世界奇異性的極致體現。此外,量子反?;魻栃袩o損耗的導電邊緣態和量子化的電阻可能在電子學器件、精密測量方面具有應用價值,具有量子反?;魻栃牟牧象w系也是實現拓撲量子計算的方案之一。

張遠波課題組制備出了錳鉍碲少層電輸運器件,并在其高質量的五層單晶中分別觀察到了量子反?;魻栃统R幜孔踊魻栃?。這也是科學家首次在單一器件里同時觀測到量子反?;魻栃土孔踊魻栃?。

據介紹,實現量子反?;魻栃牟牧象w系需要兼具磁性和拓撲性質, 條件非??量?。清華大學薛其坤團隊于2013年首次在磁性原子摻雜的拓撲絕緣體薄膜中觀測到量子反?;魻栃?。該材料中無損耗的導電邊緣態可以在沒有外部磁場的環境下存在,若被應用到電子學器件中,有望解決發熱耗能等問題,推動量子材料領域革命性發展。此后,凝聚態物理學和材料學領域一直在尋找更好的材料體系,希望能夠探索軸子電動力學、分數量子反?;魻栃热挛粗奈锢憩F象;或在更寬松的條件下實現量子反?;魻栃?,拓展其在精密測量、電子學器件方面的應用潛力。

然而,依托摻雜磁性原子的方法所得磁性拓撲絕緣體生長難度大,磁性原子雖作為磁性引入的手段,同時以雜質形式存在于材料之中,使材料質量受到限制,增加了在實驗上獲得高溫高質量的量子反?;魻栃碾y度。直到最近,首個本征磁性拓撲絕緣體錳鉍碲被理論預言并成功制備,備受研究者矚目。該材料體系無需依賴于外來摻雜,本身兼具磁性和拓撲的雙重屬性,故少層的錳鉍碲有可能實現高溫量子反?;魻栃?。
 

 
A:少層MnBi2Te4單晶的電輸運器件;B:五層MnBi2Te4的原子結構;C:五層MnBi2Te4單晶中的量子反?;魻栃?。

塊體的錳鉍碲像石墨一樣是層狀的范德瓦爾斯晶體,可以機械解理成少層單晶。張遠波團隊從塊體材料出發,運用之前在二維材料領域發展而來的技術來解理和制備器件,以探索范德瓦爾斯材料中的量子反?;魻栃跋嚓P的新物理。研究人員剝離獲得三、四、五層錳鉍碲單晶,制備了錳鉍碲的少層電輸運器件,并在外磁場下觀測到由層間反鐵磁耦合帶來的豐富磁結構。

張遠波團隊進而將研究重點轉向高質量的五層單晶,在1.4開爾文、零磁場條件下觀測到量子反?;魻栃?;并且在同一塊樣品加入載流子后在高磁場中進一步觀測到常規的量子霍爾效應。令研究團隊感到驚喜的是,從塊體材料出發制備的本征磁性拓撲絕緣體少層單晶的質量已經可與最好的磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜媲美,而這僅僅是對于該材料研究的起點, 以錳鉍碲為代表的這類范德瓦爾斯材料將為未來的研究提供更多的可能性?;谝陨习l現,團隊將進一步探索量子反?;魻栃约跋嚓P的新物理。

復旦大學教授張遠波、中國科學技術大學物理系教授陳仙輝、復旦大學教授王靖為論文共同通訊作者,王靖教授預言了錳鉍碲少層中的拓撲現象,為實驗提供了理論支持,陳仙輝教授課題組和六碳科技許子寒負責塊體材料生長,為實驗提供了高質量單晶,張遠波教授課題組從塊體單晶出發制備了器件并進行了測量。我系博士生鄧雨君、博士后於逸駿、中科大物理系博士生石孟竹為論文共同第一作者。

 
來源:材料科學與工程
 
 
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