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2019-07-16 12:14 来源:长江网

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看似高深的霍尔效应,其实离生活很近
2019-07-16 07:30:06 来源: 科技日报
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????????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,迄今已有四个诺贝尔奖与其直接相关。但是三维量子霍尔效应一百多年来都是科学家们心中的一片圣地,直到去年12月,我国复旦大学物理学系修发贤课题组才公布,人类首次观测到三维量子霍尔效应。

????????而近日,中国科技大学与其合作团队在《自然》刊登论文表示,他们通过实验验证了三维量子霍尔效应,并发现了金属-绝缘体的转换。

????????电信号与磁信号转换的桥梁

????????之前,科学家对于量子霍尔效应的研究仅仅停留于二维体系,而对于三维体系也只有无尽的猜测。修发贤团队发现了由三维“外尔轨道”形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了量子霍尔效应从二维到三维的关键一步。

????????此次,中国科技大学的合作研究团队紧随其后,进一步证实了三维量子霍尔效应并验证了显著的拓扑绝缘体现象。

????????霍尔效应由美国物理学家E.霍尔于1879年在实验中发现,以其人名命名并流传于世。其核心理论就是,带电粒子(例如电子)在磁场中运动时会受到洛伦兹力的作用发生偏转,那么在磁场中的电流也有可能发生偏转。当电流垂直于外磁场通过半导体时,载流子发生偏转,在导体两端堆积电荷从而在导体内部产生电场,其方向垂直于电流和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力相平衡时,载流子不再偏转。而此时半导体的两端会形成电势差,这一现象就是霍尔效应,这个电势差也被称为霍尔电势差。

????????总的来说,霍尔效应其实是电信号与磁信号的桥梁,任何电信号转换为磁信号的地方都可以有霍尔传感器。

????????这个看似高深的概念,其实和我们的生活很近:比如我们将霍尔元件放在汽车中,可以测量发动机的转速,车轮的转速及方向位移;再比如,将霍尔元件放在电动自行车中,可以做成控制电动车行进速度的转把。

????????量子霍尔效应停留在二维空间

????????在霍尔效应发现100年后的1980年,德国青年教师克劳斯·冯·克利青通过理论分析和实验发现了整数量子霍尔效应,将霍尔效应带到了量子的领域。

????????冯·克利青发现,量子霍尔效应一般都是在超低温和强磁场等极端条件下出现。在极端条件下,电子的偏转不再像普通霍尔效应中一样,而是变得更加剧烈并且偏转半径变得很小,仿佛就在导体内部围绕着某点转圈圈。也就是说,导体中间的部分电子被“锁住了”,要想导通电流只能走导体的边缘。因为这些发现,他在1985年获得诺贝尔物理学奖。

????????虽然量子霍尔效应是诺贝尔奖的常客,但相关研究仅限于二维量子系统中。毕竟我们生活在三维空间中,如果延伸到三维系统中,量子霍尔效应会有怎样的不同?

????????另辟蹊径验证三维量子霍尔效应

????????之前实现三维量子霍尔效应的思路,主要将二维量子系统进行堆叠。但这样得到的只是准二维量子霍尔效应,并没有观测到明显的量子霍尔电阻以及电子在空间的震荡。

????????我国科学家另辟蹊径,选择了不一样的材料。修发贤课题组选择的是砷化镉楔形纳米结构,中国科技大学团队选择的是碲化锆三维晶体。这些被认为是拓扑绝缘体的三维纳米结构,已有科学家在其中观测到与二维量子霍尔效应类似的现象,即其一个方向的电阻呈现台阶式变化,另一个方向的电阻呈现震荡。而我们分别在世界上首次实现对三维量子霍尔效应的观测和验证。

????????在这次研究中,中国科技大学团队还将材料的导电特性进行了“大扫描”,得出了金属-绝缘体的转换规律:人们能够通过控制温度和外加磁场实现金属-绝缘体的转化。这种原理可以用来制造“量子磁控开关”等电子元器件。三维量子霍尔效应材料中的电子迁移率都很快,电子能快速传输和响应,在红外探测、电子自旋器件等方面拥有应用前景。再次,三维量子霍尔效应因具有量子化的导电特性,还能应用于特殊的载流子传输系统。

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【纠错】 责任编辑: 芦俊文
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    量子霍尔效应被称作是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一,迄今已有4个诺贝尔奖与其直接相关。课题组表示,三维量子霍尔效应的发现,能够为将来进一步的科研探索提供实验基础。
    2019-07-16 07:40:48
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