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Nature 南科大张立源课题组实验证实三维量子霍尔效应

全新量子物态

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导读

2019年5月8日,国际顶尖学术期刊《天然》(Nature)颁发了首要由南边科技大学物理系和中国科学手艺大学物理学院配合完成的题为“Three-dimensional quantum Hall effect and metal-insulator transition in ZrTe5”的研究论文,尝试证实了哈佛大学理论物理学家Bertrand Halperin在1987年给出的关于三维电子气系统中量子霍尔效应的理论展望。南科大物理系副传授张立源、中国科大传授乔振华和新加坡手艺和设计大学传授杨声远为配合通信作者;美国布鲁克海文国度尝试室、佛罗里达强磁场尝试室、麻省理工学院、新加坡手艺和设计大学为配合介入单元。

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在凝集态物理学中,对对称性、彼此感化、拓扑性和维度(或自由度)的理解是永久的研究课题,也是当前固体物理和器件利用的研究热门。从1980年起头,量子霍尔效应的发现开启了研究物理学中拓扑相变的新时期,也深入地改变了人们对相变、对称性和彼此感化的理解。比来10年来,拓扑量子物态的相干研究已成为当前凝集态物理范畴最活跃的课题之一。高品质的ZrTe5晶体具有超高的迁徙率、超低载流子浓度和多种珍异的拓扑能带特点,成了研究三维电子气系统的拓扑量子相变的抱负材料之一。

图1. ZrTe5单晶(Tp ~95K)的(a)降温曲线和(b)三维费米面布局。

对电阻率反常峰(Tp)在95K摆布的ZrTe5样品(图1.a),张立源课题组经由过程详尽的低温量子输运丈量,并连系各个轴向的量子振荡阐发,获得了很是清楚的费米面拓扑布局(图1.b)。虽然ZrTe5的费米面存在很是强的各向异性,但其自己闭合的费米面布局依然很好地申明了系统是属于完全的三维系统。

课题组在低温下的输运丈量中,发现了很是较着的量子霍尔平台(图2.a)。经由过程细心阐发平台量子化电阻值和样品厚度之间的依靠关系,研究组指出,量子霍尔层的周期正好为材料z标的目的费米波长的1/2(图2.b),这很好地证实了三维电子气在磁场调制下构成电荷密度波(CDW)布局的物理图象。理论摹拟三维电子气在强磁场下的行动,可以清楚看到电子气构成一层一层的量子层布局(图2.b插图)。另外,z标的目的的非欧姆性输运行动也给出了CDW存在的有力证据。

图2.(a)ZrTe5单晶中的三维量子霍尔效应;(b)z标的目的的CDW周期和费米波长,插图是三维电子气在磁场下构成二维导电层的摹拟

在系统进入量子极限后,研究组观测到了很是较着的金属绝缘体相变行动(图3.a)。系统存在一个典型的零温量子临界点,为量子相变,并可以画出系统的电子相图(图3.b),这些成果为未来研究三维电子气中的电子彼此感化效应供给了很好的参考。

图3.(a)ZrTe5单晶中金属绝缘体相变的标度行动;(b)系统的电子相图

张立源暗示,这项工作的顺遂展开离不开博士生汤方栋、任亚飞,博士后王培培的详尽阐发和勤恳工作。另外一方面,研究过程当中的合作、沟通和会商是必不成少的。此刻的科学研究愈来愈重视团队合作,单靠一小我的尽力是不敷的,很多人在一路各自觉挥优势可以把工作做得更好。张立源说,很荣幸能和中国科技大学的乔振华研究组、新加坡手艺与设计大学(Singapore University of Technology and Design)的杨声远传授、布鲁克海文国度尝试室的顾根大研究组、弗罗里达州立大学和美国强磁场中间的杨昆教员和麻省理工学院的李雅达(Patrick A Lee)师长教师一路合作。

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