低维量子物理国家重点实验室成员在量子反常霍尔效应的零级平台研究方面取得进展

 

磁性拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应是近年来凝聚态物理研究的重要前沿领域之一,它的发现对于理解拓扑量子态及其在未来信息技术中的应用具有重要的意义。目前关于量子反常霍尔效应有待探索的核心问题包括其磁有序态之间的转变及其量子平台之间的相变机制等。

最近,低维量子物理国家重点实验室博士研究生冯洋、冯硝、欧云波等在导师王亚愚、何珂、薛其坤的指导下,与斯坦福大学的王靖和张首晟合作,利用分子束外延技术生长了高质量的具有长程铁磁序的拓扑绝缘体薄膜,并在极低温下对其中量子反常霍尔平台之间的相变行为进行了系统的研究。他们发现,当磁性拓扑绝缘体的磁化方向发生反转,即两个量子反常霍尔平台发生相变时,矫顽场处存在着清晰的霍尔电导为零的平台。这个零级平台的性质与量子反常霍尔效应密切相关,但其随温度的演化行为与描述传统量子霍尔平台相变的network model并不一致。他们的分析表明这一性质主要是由量子反常霍尔效应所特有的、仅存在于磁畴边界的、具有手性的一维导电通道所决定,因此不遵从传统量子霍尔效应中平台之间转变的普适量子临界行为。

 

上图所示为磁性拓扑绝缘体中霍尔电导的零级平台随温度的演变

 

该项工作表明量子反常霍尔效应不是简单的零磁场中的量子霍尔效应,磁性拓扑绝缘体中特有的磁畴结构及其动力学性质可以导致新颖的量子输运行为,并可能在自旋电子学器件中有独特的应用。该研究成果以“Observation of the zero Hall plateau in a quantum anomalous Hall insulator”为题发表在9月16日的Physical Review Letters上,并被选为Editors’ suggestion推荐。