由中國科學(xué)院物理研究所和清華大學(xué)物理系的科研人員組成的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì),，經(jīng)過數(shù)年不懈探索和艱苦攻關(guān)，最近成功實(shí)現(xiàn)了“量子反?；魻栃?yīng)”,。這是國際上該領(lǐng)域的一項(xiàng)重要科學(xué)突破，該物理效應(yīng)從理論研究到實(shí)驗(yàn)觀測的全過程,，都是由我國科學(xué)家獨(dú)立完成,。

 

量子霍爾效應(yīng)是整個凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要、最基本的量子效應(yīng)之一,。它是一種典型的宏觀量子效應(yīng),，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個完美體現(xiàn),。1980年，德國科學(xué)家馮?克利青（Klaus von Klitzing）發(fā)現(xiàn)了“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”,，于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎,。1982年，美籍華裔物理學(xué)家崔琦（Daniel CheeTsui）,、美國物理學(xué)家施特默（Horst L. Stormer）等發(fā)現(xiàn)“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”,，不久由美國物理學(xué)家勞弗林（Rober B. Laughlin）給出理論解釋，三人共同獲得1998年諾貝爾物理學(xué)獎,。在量子霍爾效應(yīng)家族里,，至此仍未被發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)是“量子反常霍爾效應(yīng)”——不需要外加磁場的量子霍爾效應(yīng),。

 

 

“量子反?；魻栃?yīng)”是多年來該領(lǐng)域的一個非常困難的重大挑戰(zhàn)，它與已知的量子霍爾效應(yīng)具有完全不同的物理本質(zhì),，是一種全新的量子效應(yīng),；同時它的實(shí)現(xiàn)也更加困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計(jì),、制備與調(diào)控,。1988年，美國物理學(xué)家霍爾丹（F. Duncan M. Haldane）提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng),，但是多年來一直未能找到能實(shí)現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)的材料體系和具體物理途徑,。2010年，中科院物理所方忠,、戴希帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)與張首晟教授等合作,，從理論與材料設(shè)計(jì)上取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3,、Bi2Se3,、Sb2Te3族拓?fù)浣^緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機(jī)制，能形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體,，是實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的最佳體系［Science，329, 61（2010）］,。他們的計(jì)算表明,，這種磁性拓?fù)浣^緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強(qiáng)度下,，即處在“量子反常霍爾效應(yīng)”態(tài),。該理論與材料設(shè)計(jì)的突破引起了國際上的廣泛興趣,，許多世界頂級實(shí)驗(yàn)室都爭相投入到這場競爭中來，沿著這個思路尋找量子反?；魻栃?yīng),。

 

 

在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體材料中實(shí)現(xiàn)“量子反?；魻栃?yīng)”,，對材料生長和輸運(yùn)測量都提出了極高的要求：材料必須具有鐵磁長程有序；鐵磁交換作用必須足夠強(qiáng)以引起能帶反轉(zhuǎn),，從而導(dǎo)致拓?fù)浞瞧接沟膸ЫY(jié)構(gòu),；同時體內(nèi)的載流子濃度必須盡可能地低。最近,，中科院物理所何珂,、呂力、馬旭村,、王立莉,、方忠、戴希等組成的團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)物理系薛其坤,、張首晟,、王亞愚、陳曦,、賈金鋒等組成的團(tuán)隊(duì)合作攻關(guān),，在這場國際競爭中顯示了雄厚的實(shí)力。他們克服了薄膜生長,、磁性摻雜,、門電壓控制、低溫輸運(yùn)測量等多道難關(guān),，一步一步實(shí)現(xiàn)了對拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu),、長程鐵磁序以及能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，利用分子束外延方法生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜,，并在極低溫輸運(yùn)測量裝置上成功地觀測到了“量子反?；魻栃?yīng)”。該結(jié)果于2013年3月14日在Science上在線發(fā)表,，清華大學(xué)和中科院物理所為共同第一作者單位,。

 

 

該成果的獲得是我國科學(xué)家長期積累、協(xié)同創(chuàng)新,、集體攻關(guān)的一個成功典范,。前期，團(tuán)隊(duì)成員已在拓?fù)浣^緣體研究中取得過一系列的進(jìn)展,，研究成果曾入選2010年中國科學(xué)十大進(jìn)展和中國高校十大科技進(jìn)展,，團(tuán)隊(duì)成員還獲得了2011年“求是杰出科學(xué)家獎”、“求是杰出科技成就集體獎”和“中國科學(xué)院杰出科技成就獎”,，以及2012年“全球華人物理學(xué)會亞洲成就獎”,、“陳嘉庚科學(xué)獎”等榮譽(yù)。該工作得到了中國科學(xué)院,、科技部,、國家自然科學(xué)基金委員會和教育部等部門的資助。（來源：中科院物理研究所）

 

（原標(biāo)題：“量子反?；魻栃?yīng)”研究取得重大突破）