浙江人滚出中国:复旦学者在三维空间中观测到了量子霍尔效应 成果登《自然》

来源:澎湃新闻
时间:2018-12-18 11:20:01
字号
微信

  量子霍尔领域再现重大突破。

  北京时间12月18日0时,《自然》在线发表了复旦大学物理学系修发贤课题组的最新研究成果,他们发现了基于外尔轨道的三维量子霍尔效应。

  量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一,1985年和1998年的诺贝尔物理学奖便出自该领域。

  不过,自霍尔效应发现的一百多年来,科学家们对它的研究都停留于二维体系,从未涉足三维领域。修发贤课题组的研究则推动这一基础学科领域,又向前进了一大步。

  在三维空间观测量子霍尔效应

  霍尔效应是美国物理学家霍尔在做研究生期间发现的。当导体、半导体通有电流时,在垂直于电流方向加上磁场,电子的运动轨迹将发生偏转,在导体的纵向方向产生电压。

  量子霍尔效应是量子力学版本的霍尔效应。但在以往的实验中,量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。

  “比如说这间屋子,除了上表面、下表面,中间还存在一个空间?!毙薹⑾托稳?,这就像在“天花板”或者“地面”上,电子可以沿着“边界线”有条不紊地做着规则运动。

  但在三维空间中呢?

  此前,2016年10月,修发贤和团队第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到了量子霍尔效应。

  该研究成果发表在《自然 通讯》后,日本和美国也有科学家借鉴相关经验,在同样的体系中观测到了这一效应。遗憾的是,实际的电子运动机制当时无法明确。

  修发贤课题组此次作出的突破性成就,便是在拓扑半金属砷化镉纳米片中,首次观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据。

  “电子在上表面走一段四分之一圈,穿越到下表面,完成另外一个四分之一圈后,再穿越回上表面,形成半个闭环,这个隧穿行为也是无耗散的,所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的?!毙薹⑾透嫠吲炫刃挛偶钦?。

  比喻性地说,课题组在特定的材料和条件下,观测到了电子可以从“天花板”穿越“房间”到达“地面”,然后从“地面”再回到“天花板”。

  北京时间12月18日0时,这篇题为《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》的论文在线发表于《自然》。修发贤为通讯作者,复旦大学物理学系博士生张成,复旦校友、康奈尔大学博士后张亿和复旦大学物理学系博士生袁翔为共同第一作者。

  难点在于材料制备和器件测量

  这次课题的难点在于材料的制备和器件的测量。

  修发贤介绍,该研究对材料的要求非常高,必须能够精确地控制厚度,必须有很高的迁移率??翁庾榇?014年开始生长这个材料,经过差不多5年的摸索,可以达到厚度的可控性(50-100nm),迁移率达到10万平方厘米/(伏 秒)。

  实验中,修发贤团队还创新性地利用楔形样品,实现可控的厚度变化,就好像一个“横倒的梯形”,“屋顶被倾斜了,房子内部上下表面的距离就会发生变化?!?/p>

  团队通过测量量子霍尔平台出现的磁场,可以用公式推算出量子霍尔台阶。实验发现,电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响。这说明,随着样品厚度的变化,电子的运动时间也在变。

  就此,电子在做与样品厚度相关的纵向运动,其隧穿行为被证明了。

  另一个难点在于测量必须在极端条件下进行。修发贤介绍,实验温度需在几十毫K ,也就是零下270多度,强磁场达三十多特斯拉,达到地磁场的百万倍。

  修发贤表示,这次研究体现材料确实具有高迁移率,电子的传输和响应很快,未来可以在红外探测、电子自旋方面做一些原型器件。

  另外,量子霍尔效应的研究,对于低能耗的电子器件研制也有重要意义。

  修发贤解释,就像汽车在农贸市场和高速公路行进的不同,如果电子也能按照一定的规则有序运动,那么在传输过程中,能量损耗会大大减少。

  “发现新的物理现象,对推动物理学基础理论发展,具有极大的推动作用?!备吹┐笱锢硌档澄榧墙蠲舾嫠吲炫刃挛偶钦?。

  修发贤表示,基础研究领域许多成就,往往不是规划来的,此次研究便属于自由探索型的基础研究,发现了一个新的现象。

   (如需版权合作请联系gae102@163.com) 欢迎转载上海在线文章,转载请注明来源上海在线:http://www.cioedu.cn/
扬州代孕 | 烟台代孕 | 上海助孕要求 | 上海助孕公司 | 代孕公司 |
  • “五法”普法手册 第一部分_炫舞牛小郎在哪 2019-07-21
  • 黔张常铁路计划12月底通车!长沙至张家界3小时可达_快乐大本营王宝强 2019-07-21
  • 中国援柬教育环境与设施改善项目开工_巴西莓纤体奶茶 2019-07-21
  • “国父”长女、曾6年流亡 传奇女总理说她钦佩中国成就_贾潇雨 2019-07-21
  • 北京市民委召开全体会议_诺基亚c300主题 2019-07-21
  • 从一件普通农具读懂习近平的为民初心_十七中贴吧 2019-07-21
  • 河南发布2019年“三支一扶”招募公告 提高生活补贴标准 _华哥龙登 2019-07-21
  • “跨越时空的聚会”2018重庆匠心手工艺公共艺术展_蔡文泰 2019-07-21
  • “德国谚语里,‘有猪’就是有福” 海德堡德中民众共庆己亥猪年_乐土祭祀加点 2019-07-21
  • 【学习贯彻·部长说】宁夏:广聚人心汇聚力量 开创新局面_牛牛炸潜艇 2019-07-21
  • 中国石柱群 | 中国国家地理网_三国演艺——中日韩风云音乐盛典 2019-07-21
  • 智能垃圾箱、兑换积分……济南居民分类投放垃圾还需再主动_赵雪妃 2019-07-21
  • Polo Plus告诉我们,青春的高级,是要摆脱比大小这种低俗趣味的_电影铁面无私 2019-07-21
  • 外交习语 | 新年首访,习近平为何选择这三个欧洲国家_合雀报喜 2019-07-21
  • 美丽异木棉“粉”靓冬日_spell是什么意思 2019-07-21