1、量子反?；魻栃?yīng)及其應(yīng)用前景,物理系：韋超 王玉龍,霍爾效應(yīng),1879年美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，如圖1，在一個沿x方向通有電流的材料中，如果沿z方向施加一個磁場，由于洛倫茲力的作用，材料中的電子運動軌跡將產(chǎn)生沿y軸正方向的偏轉(zhuǎn)，電子在材料上層表面堆積，從而在y方向的材料兩端產(chǎn)生霍爾電壓并形成電場，這個電磁輸運現(xiàn)象就是著名的霍爾效應(yīng)。,反?；魻栃?yīng),1881年霍爾發(fā)現(xiàn)，在鐵磁金屬平板中沒有外磁場或磁場很弱時也可以 觀 測 到 霍 爾 效 應(yīng)，這稱為反?；魻栃?yīng)。反常霍爾效應(yīng)形式上類似正?；魻栃?yīng)，但不需要外場對電子的軌道效應(yīng)，因此二者的物理本質(zhì)有很大不同 對反?；魻栃?yīng)的解釋一直困擾了物

2、理學(xué)家，直到本世紀(jì)人們才逐漸認(rèn)識到反?；魻栃?yīng)與電子自旋軌道耦合及電子結(jié)構(gòu)的Berry相位有關(guān)，并提出反?；魻栃?yīng)的 本征機制 。在具有自旋軌道耦合并破壞時間反演對稱性的材料中，特殊電子結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致動量空間中非零Berry相位的出現(xiàn)，并改變電子的運動方程，從而導(dǎo)致反?；魻栃?yīng)的出現(xiàn)。,量子霍爾效應(yīng),1980年，Klitzing等人發(fā)現(xiàn)在低溫787強磁場條件下，霍爾電阻以反比于整數(shù)的方式呈現(xiàn)一系列平臺，與平臺對應(yīng)的霍爾電阻為: R=h/(ie2)，其中i 是正整數(shù)，h是普朗克常數(shù)，e是電子的電荷量，這稱為整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。1982年發(fā)現(xiàn)霍爾電阻的平臺也可反比于分?jǐn)?shù)，即也可以是分?jǐn)?shù)，這稱為分?jǐn)?shù)量子霍

3、爾效應(yīng)，量子霍爾效應(yīng)是霍爾效應(yīng)的量子對應(yīng)，是凝聚態(tài)物理中的重要現(xiàn)象。,量子霍爾效應(yīng)的物理解釋,在金屬氧化物半導(dǎo)體材料中，在一定條件下將在半導(dǎo)體和氧化物之間產(chǎn)生厚度是納米量級的導(dǎo)電層，電子在其中可自由運動( 如圖1，b是納米量級，電子在限制xy平面運動) 如果磁場B=0，電子在xy平面自由運動的能級是準(zhǔn)連續(xù)的，電子在z方向的能級是分立的 當(dāng)加上強磁場B后，xy平面準(zhǔn)連續(xù)能級改組成等間距的分立能級，稱為朗道能級 B越大，相鄰朗道能級之間的間距越大 由于總的量子態(tài)數(shù)不變，各個朗道能級是簡并的，其簡并度正比于磁場B 在低溫( 幾K量級) 強磁場( 地磁場的十萬到上百萬倍) 下，電子熱運動能量遠(yuǎn)低于朗道

4、能級間距，電子不會被熱激發(fā)而躍遷到高激發(fā)態(tài)，如果這時剛好電子全部填滿某些低能級，各個電子都有確定狀態(tài)，電子可以不受散射地縱向移動，在x方向維持常定電流，而沒有該方向的電壓降落，即縱向霍爾電阻消失 而橫向霍爾電阻反比于自然數(shù)，發(fā)生整數(shù)量子霍爾效應(yīng) 如果各電子之間有較強的相互作用，則會出現(xiàn)等效的分?jǐn)?shù)電荷，這時橫向霍爾電阻會反比于某些分?jǐn)?shù)，發(fā)生分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)處于量子霍爾狀態(tài)的各電子其運動狀態(tài)是確定的，運動時可以不受周圍電子的影響。,反常量子霍爾效應(yīng),1.發(fā)現(xiàn) 為保持量子霍爾狀態(tài)，需要非常強的磁場1988年，美國物理學(xué)家霍爾丹提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng)，這稱為量子反?；魻栃?yīng) 量子反?；?/p>

5、爾效應(yīng)也是電子自旋軌道耦合的結(jié)果。 人們一直在尋找具有量子反?；魻栃?yīng)的材料，2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領(lǐng)的團隊與張首晟教授等合作，提出銣或鐵磁性離子摻雜的拓?fù)浣^緣體中存在著特殊的鐵磁交換機制，能形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體，是實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的最佳體系。沿著這個思路尋找量子反?；魻栃?yīng)，最終由薛其坤院士領(lǐng)導(dǎo)的團隊成功實現(xiàn)。 2.意義 量子反?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生對理解拓?fù)浣^緣體( 是一種具有奇異量子特性的新物質(zhì)狀態(tài)) 的性質(zhì) 自旋軌道相互作用 時間反演對稱性有重要作用。,反?；魻栃?yīng)的應(yīng)用前景,我們通常使用的電子元器件，其中的電子運動沒有特定的軌道相互碰撞從而發(fā)生能量損耗，導(dǎo)致發(fā)熱， 而量子霍爾效應(yīng)狀態(tài)下的電子在各自的跑道上互不干擾，暢通無阻運動，這可大大減少能耗 。 量子霍爾效應(yīng)對應(yīng)的狀態(tài)具有拓?fù)湫再|(zhì)，可不受局域擾動的影響，如果用該狀態(tài)編碼信息，則可用來實現(xiàn)容錯量子計算。 量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要巨大的磁鐵產(chǎn)生的場( 磁鐵約相應(yīng)計算機的10倍大) ，這不但體積龐大，而且價格昂貴 而量子反常