三維量子霍爾效應(yīng)獲得實驗驗證
盧海舟和謝心澄課題組在拓撲半金屬中利用費米弧和“蟲洞隧穿”構(gòu)成的Weyl軌道,提出了一種新的三維量子霍爾效應(yīng)機制。拓撲半金屬是拓撲物相的新成員,具有拓撲保護的表面態(tài),被稱作費米弧 (如圖4所示)。費米弧是拓撲半金屬拓撲保護的表面態(tài)的費米面。在拓撲Weyl半金屬中,有4個面可以有拓撲保護的表面態(tài)。由于拓撲約束的原因,每個面的表面態(tài)只是半個二維電子氣。相對的上下表面的費米弧電子氣可以通過Weyl點連接起來,組成一個完整的二維電子氣,這是非常奇異的物相。 既然費米弧也是一種二維電子氣,它們是否可以有量子霍爾效應(yīng)?要研究這個問題,首先要明白什么是形成量子霍爾效應(yīng)的關(guān)鍵,那就是電子的回旋運動 (如圖3左圖所示)。電子回旋運動的量子力學描述等價于諧振子,因此會形成等間距的朗道能級。朗道能級在邊界發(fā)生能量畸變,才會有邊界態(tài)提供無耗散的電子輸運和量子霍爾化電導,即量子霍爾效應(yīng)。 目前,已經(jīng)有多個拓撲半金屬實驗觀察到霍爾電阻的量子化平臺。這種新奇的三維量子霍爾效應(yīng)的研究才剛剛開始。直接觀測到如圖8所示的奇異邊界態(tài)分布將是未來的一個挑戰(zhàn)方向。
南方科技大學
2021-04-13