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发布时间:2019-12-19 22:51

 

  量子霍尔效应是自20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一。到目前为止,有四个诺贝尔奖与他直接相关。然而,三维量子霍尔效应已经成为科学家心中100多年的神圣之地。直到去年12月,中国复旦大学物理学院的研究小组宣布,首次观察到三维量子霍尔效应。

  最近,科技大学及其合作团队在《自然》上发表了一篇文章,通过实验验证了三维量子霍尔效应并发现了金属绝缘过渡。

  以前,科学家对量子霍尔效应的研究只停留在二维系统中,对三维系统只有无限的推测。 Xiu Faxian团队发现了由三维外轨道形成的新的三维量子霍尔效应的直接证据,并从二维到三维的量子霍尔效应迈出了基本步骤。

  这次,中国科技大学合作研究团队紧随其后,进一步证实了三维量子霍尔效应,并验证了显着的拓扑绝缘现象。

  霍尔效应是在1879年美国物理学家E.霍尔的实验中发现的,以他的名字命名并传递给世界。核心理论是带电粒子(如电子)在磁场中移动时被洛伦兹力偏转,磁场中的电流也可能偏离。当电流垂直于外部磁场穿过半导体时,载流子被转向,并且电荷通过导体累积,以在导体内产生电场,该电场的方向垂直于电流和磁流的方向。领域。当电场强度和洛伦兹力平衡时,载体不再转向。此时,在半导体的两端形成电位差。这种现象是霍尔效应,这种电位差也称为霍尔电位差。

  通常,霍尔效应实际上是电信号和磁信号之间的桥梁。只要电信号转换成磁信号,就可以使用霍尔传感器。

  这个看似先进的概念非常贴近我们的生活:例如,我们将霍尔元件放入汽车中,我们可以测量发动机转速,车轮转速和转向位移;例如,将霍尔元件放在电动自行车上。在中间,它可以变成控制电动车辆行驶速度的杠杆。

  1980年,在发现霍尔效应100年后,年轻的德国教授克劳斯冯克莱因通过理论分析和实验发现了整个量子霍尔效应,将霍尔效应带入了量子场。

  冯克利庆发现,量子霍尔效应一般存在于超低温和强磁场等极端条件下。在极端条件下,电子的偏转不再像正常的霍尔效应那样强烈,而是变得更强烈,并且偏转半径变得更小,好像它在导体内围绕某一点。也就是说,导体中间的部分电子被锁定,电流只能连接在导体的边缘。由于这些发现,他于1985年获得了诺贝尔物理学奖。

  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。毕竟,我们生活在三维空间。如果我们扩展到三维系统,量子霍尔效应有什么不同?

  以前,实现三维量子霍尔效应的想法主要是堆叠二维量子系统。然而,仅获得了霍尔的量子量子效应,并且没有观察到量子霍尔电阻和空间中的电子振荡。

  中国科学家采取了不同的方法,选择了不同的材料Xiu Faxian的研发团队选择了砷化镉楔形纳米结构。中国科技大学的团队选择了碲化铋的三维晶体。这些被认为是拓扑绝缘体的三维纳米结构,并且科学家观察到类似于二维量子霍尔效应的现象,即,在一个方向上的电阻呈现逐渐变化,而在另一个方向上的电阻呈现出振荡。并且我们首次获得了世界上第一次三维量子霍尔效应的观察和验证。

  在这项研究中,来自中国科学技术大学的团队也对材料的导电性能进行了大量扫描,并获得了金属绝缘转换规律:人们可以通过控制绝缘金属来进行绝缘金属的转换。温度和场施加。该原理可用于制造诸如量子磁控管开关的电子元件。三维霍尔效应量子材料中的电子迁移率非常快,电子的能量可以快速传输和响应。它具有应用于红外线检测和电子自旋检测装置的应用前景。第三,三维量子霍尔效应也可以应用于特殊载流子系统,因为它们具有量化的导电特性。

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