量子霍爾效應

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量子霍爾效應,是霍爾效應量子力學版本。一般被看作是整數量子霍爾效應分數量子霍爾效應的統稱。

整數量子霍爾效應被馬普所的德國物理學家馮·克利青發現。他因此獲得1985年諾貝爾物理學獎[1] 分數量子霍爾效應被崔琦霍斯特·施特默亞瑟·戈薩德英語Arthur Gossard發現[2],前兩者因此與羅伯特·勞夫林分享1998年諾貝爾物理學獎。

整數量子霍爾效應最初在高磁場下的二維電子氣體中被觀測到;分數量子霍爾效應通常在遷移率更高的二維電子氣下才能被觀測到。2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,在室溫下觀察到量子霍爾效應。

重要意義[編輯]

整數量子霍爾效應:量子化電導被觀測到,為彈道輸運(ballistic transport)這一重要概念提供了實驗支持。

分數量子霍爾效應:勞夫林與J·K·珍解釋了它的起源[3][4]。兩人的工作揭示了渦旋(vortex)和准粒子(quasi-particle)在凝聚態物理學中的重要性。

整數量子霍爾效應[編輯]

在二維系統中,一個古典意義上的自由電子受到外部磁場作用時,勞倫茲力會使它呈現圓周運動。以量子力學來描述,這些軌道是量子化的,能階是不連續的值:

其中,ωc = eB/m 是電子圓周運動的角頻率。 這些能階被稱為朗道能階。每個能階都是簡併的,在單位面積下可以容納N個電子,

B 是磁場大小,gs 代表自旋簡併,對電子來說是2。當磁場很強,每個能階可容納的電子數量會變得非常大,所有自由電子幾乎都位在最低的幾個能階,此時可以觀察到量子化的電阻值變化。

研究前景[編輯]

整數量子霍爾效應的機制已經基本清楚,而仍有一些科學家,如馮·克利青和紐約州立大學石溪分校的V·J·Goldman,還在做一些分數量子效應的研究。一些理論學家指出分數量子霍爾效應中的某些平台可以構成非阿貝爾態(Non-Abelian States),這可以成為搭建拓撲量子計算機的基礎。[5]

石墨烯中的量子霍爾效應與一般的量子霍爾行為大不相同,為量子反常霍爾效應(unusual Quantum Hall Effect)。

此外,Hirsh[6]張首晟[7]等提出自旋量子霍爾效應的概念,與之相關的實驗正在吸引越來越多的關注。

2010年,中科院物理所方忠戴希理論團隊與拓撲絕緣體理論的開創者之一、史丹福大學張首晟等合作,提出了實現量子反常霍爾效應的最佳體系。 2013年,中國科學院薛其坤院士領銜的合作團隊又發現,在一定的外加柵極電壓範圍內,此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應的特徵值h/e2~ 25800歐姆。2013年3月15日,這個成果在線發表在《科學》雜誌上。[8] [9]

這一發現可被用於發展新一代低能耗電晶體和電子學器件,進而推動信息技術的進步。[10] [11]

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ Klaus von Klitzing, et al, New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance, Phys. Rev. Lett. 45, 494 (1980).
  2. ^ D. C. Tsui, H. L. Stormer, and A. C. Gossard,Physical Review Letters 48 1559 (1982)
  3. ^ R. B. Laughlin, Physical Review Letters 50 1395 (1983)
  4. ^ J·K·Jain, Physical Review B 40 8079 (1989)
  5. ^ Chetan Nayak, Steven H. Simon, Ady Stern, Michael Freedman and Sankar Das Sarma, Rev. Mod. Phys., Vol. 80, No. 3, July–September 2008
  6. ^ Phys. Rev. Lett. 83, 1834 - 1837. (1999)
  7. ^ Shuichi Murakami, et al, Science 301, 1348. (2003)
  8. ^ "Experimental Observation of the Quantum Anomalous Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator". doi: 10.1126/science.1234414
  9. ^ 薛其坤等《科學》發文 首次在實驗上發現量子反常霍爾效應 互聯網檔案館存檔,存檔日期2014-01-02.,清華新聞網報,2013-03-15
  10. ^ 中國科學家首次在實驗中發現量子反常霍爾效應,亞太日報,2013年4月11日
  11. ^ 「中國首現量子反常霍爾效應 打開諾貝爾獎的富礦」鳳凰網軍事