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量子反常霍尔效应研究进展

科学通报 2020年第9期65卷 800-809页

作者：冯硝何珂王亚愚马旭村吕力薛其坤清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室北京100084 中国科学院物理研究所北京100190

量子反常霍尔效应是一种不需要外加磁场的量子霍尔效应.它不但为手征量子霍尔态的理解和应用提供了一个理想的研究平台,还可以用于构建多种新奇拓扑量子物态.本文回顾了近年来量子反常霍尔效应实验方面的研究进展,包括对磁性掺杂拓扑绝... 详细信息

量子反常霍尔效应是一种不需要外加磁场的量子霍尔效应.它不但为手征量子霍尔态的理解和应用提供了一个理想的研究平台,还可以用于构建多种新奇拓扑量子物态.本文回顾了近年来量子反常霍尔效应实验方面的研究进展,包括对磁性掺杂拓扑绝缘体中量子反常霍尔效应相关机理的深入研究、基于量子反常霍尔绝缘体的各种异质结构的制备及性质研究,以及可能具有更高工作温度的量子反常霍尔效应材料体系的探索等.这些研究进展对量子反常霍尔效应的未来发展方向和凝聚态物理的发展具有重要的启示作用.

关键词：量子反常霍尔效应拓扑绝缘体磁性掺杂异质结构内禀磁性

具有大磁晶各向异性能的单层BaPb的室温量子反常霍尔效应

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物理学报 2021年第15期70卷 266-272页

作者：张蔚曦李勇田昌海佘彦超铜仁学院物理与电子工程系铜仁554300

具有巨大应用潜力的二维材料在纳米技术领域引起了人们极大的研究兴趣.基于第一性原理计算,本文预测了二维六角晶格BaPb体系具有室温量子反常霍尔效应.体系磁基态是铁磁半金属态,并且自旋极化的Pb-p轨道导致体系的时间反演对称性破缺.... 详细信息

具有巨大应用潜力的二维材料在纳米技术领域引起了人们极大的研究兴趣.基于第一性原理计算,本文预测了二维六角晶格BaPb体系具有室温量子反常霍尔效应.体系磁基态是铁磁半金属态,并且自旋极化的Pb-p轨道导致体系的时间反演对称性破缺.具有非零Chern数(C=1)的单层BaPb中非平庸拓扑性来源于全自旋极化的p_(x,y)轨道形成的二次型非狄拉克能带.不同于之前报道的pz轨道形成的狄拉克拓扑态很容易被衬底破坏,p_(x,y)轨道形成的σ键非常稳定.当考虑自旋-轨道耦合作用时,二次型的非狄拉克点打开了接近177.39 meV的非平庸带隙.通过反常霍尔电导、陈数、贝里曲率和边缘态的计算,证实了BaPb非平庸的拓扑性.此外,体系还表现出每个单元52.01 meV的大磁晶各向异性能.

关键词：量子反常霍尔效应二次型非狄拉克能带铁磁半金属态第一性原理

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磁性拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应

哈尔滨工业大学学报 2020年第6期52卷 1-11页

作者：冯硝何珂薛其坤清华大学物理系北京100084 低维量子物理国家重点实验室(清华大学) 北京100084 北京量子信息科学研究院北京100193

量子反常霍尔效应是一种不需要外磁场、具有手性边缘态的量子化霍尔效应,可以用于构建其他新奇量子态和发展未来低功耗电子学器件等.该全新的量子效应于2012年首先由中国科学家在五层Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体薄膜中实现.在过去七... 详细信息

量子反常霍尔效应是一种不需要外磁场、具有手性边缘态的量子化霍尔效应,可以用于构建其他新奇量子态和发展未来低功耗电子学器件等.该全新的量子效应于2012年首先由中国科学家在五层Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体薄膜中实现.在过去七年间,经过大家的努力,其观测温度从最初的30 mK已经提高到2 K左右,进一步提高量子反常霍尔效应的观测温度是目前该领域主要的研究方向之一,是许多拓扑量子效应走向应用的关键因素.本文主要总结了量子反常霍尔效应研究的实验进展,特别在提高其观测温度方面的研究进展.文章包括四个部分:前两个部分分别介绍磁性掺杂和磁性近邻拓扑绝缘体体系中量子反常霍尔效应研究,第三部分介绍最新发现的内禀磁性拓扑绝缘体体系,最后一部分对设计和构造高温量子反常霍尔效应系统的原理和路线图给出一些建议和展望.

关键词：量子反常霍尔效应拓扑绝缘体铁磁绝缘体反铁磁绝缘体分子束外延

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拓扑量子材料与量子反常霍尔效应

材料研究学报 2015年第3期29卷 161-177页

作者：何珂薛其坤清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室北京100084

简要综述自从2005年前后发展起来的一类新的材料体系-"拓扑"量子材料,它包含拓扑绝缘体、拓扑晶体绝缘体、拓扑超导体和拓扑半金属等。这类材料中较强的自旋轨道耦合作用导致了包括量子反常霍尔效应在内的丰富多彩的量子现象,有可能对... 详细信息

简要综述自从2005年前后发展起来的一类新的材料体系-"拓扑"量子材料,它包含拓扑绝缘体、拓扑晶体绝缘体、拓扑超导体和拓扑半金属等。这类材料中较强的自旋轨道耦合作用导致了包括量子反常霍尔效应在内的丰富多彩的量子现象,有可能对未来低能耗电子学、拓扑量子计算和清洁能源等技术的发展具有重大的推动作用。

关键词：综述拓扑绝缘体量子霍尔效应量子反常霍尔效应

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量子反常霍尔效应在二维电子气中的实现

量子反常霍尔效应在二维电子气中的实现

作者：吴华蕊苏州大学

学位级别：硕士

拓扑材料以其拓扑保护的表面态或边缘态为特征,在科学研究,尤其是无耗散电子器件领域,具有很大的潜力。量子反常霍尔效应作为拓扑态的重要组成部分,在没有外磁场时也能够表现出无耗散手性边缘态。实现量子反常霍尔效应主要有两种方法:... 详细信息

拓扑材料以其拓扑保护的表面态或边缘态为特征,在科学研究,尤其是无耗散电子器件领域,具有很大的潜力。量子反常霍尔效应作为拓扑态的重要组成部分,在没有外磁场时也能够表现出无耗散手性边缘态。实现量子反常霍尔效应主要有两种方法:磁性拓扑绝缘体薄膜和石墨烯体系。仅前者在低温实验中得到了实现。后者是基于结合交换场和Rashba自旋轨道耦合的单层石墨烯,但由于石墨烯的弱自旋轨道耦合,以及纳米尺度的磁性原子掺杂困难,因此尚未在实验中被观测到。为了克服上述缺陷,在具有周期性势垒的二维电子气系统中制备人工石墨烯可能是一个理想的选择。最近实验通过在二维电子气中引入金属量子点晶格或反点晶格实现了这一想法。从实验上看,这种方案的优势非常明显,在二维电子气系统中,例如在LaA103/SrTi03的界面上,可以实现铁磁交换场和Rashba自旋轨道耦合。在本文,我们提出了一种实际的在人工石墨烯体系实现量子反常霍尔效应的方案,该方案是基于具有反点晶格的二维电子气系统。考虑到交换场和Rashba自旋轨道耦合作用,体系存在C=-1和C=2的量子反常霍尔相。通过计算贝里曲率积分和空间波函数分布,我们证明了量子反常霍尔态的拓扑性质。在量子反常霍尔区域,电导呈现量子化平台,其值对安德森无序具有鲁棒性。此外,我们还研究了反点晶格的大小和形状对形成的量子反常霍尔效应的影响,为系统参数的调控提供了额外的方法。利用半导体中先进的制造技术,该方案在微米尺度上可实现。

关键词：人工石墨烯量子反常霍尔效应拓扑特性

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石墨烯中量子反常霍尔效应研究进展

深圳大学学报（理工版） 2014年第6期31卷 551-560页

作者：乔振华任亚飞中国科学技术大学物理系合肥230026 中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室国际量子功能材料设计中心合肥230026 中国科学技术大学量子信息与量子科技前沿协同创新中心合肥230026 美国德克萨斯大学奥斯汀分校物理系

量子反常霍尔效应是一种存在于二维电子气中,具有无带隙的手性边缘态但体态绝缘的物理现象.不同于强磁场下量子化朗道能级引起的量子霍尔效应,量子反常霍尔效应可通过引入自旋轨道耦合相互作用以及交换场来实现.作者回顾了量子反常霍尔... 详细信息

量子反常霍尔效应是一种存在于二维电子气中,具有无带隙的手性边缘态但体态绝缘的物理现象.不同于强磁场下量子化朗道能级引起的量子霍尔效应,量子反常霍尔效应可通过引入自旋轨道耦合相互作用以及交换场来实现.作者回顾了量子反常霍尔效应的研究进展,评述了石墨烯中的量子反常霍尔效应.通过理论模型预言在石墨烯体系中引入交换场破坏时间反演对称性,通过考虑Rashba自旋-轨道耦合,可在狄拉克点打开一个拓扑非平庸的量子反常霍尔效应体能隙,进一步分析解释其物理根源.讨论了几种实验原型,尝试通过外部操控在石墨烯中实现量子反常霍尔效应.

关键词：凝聚态物理石墨烯量子反常霍尔效应 Rashba自旋-轨道耦合交换场拓扑量子态

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拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应

科学通报 2014年第35期59卷 3431-3441页

作者：何珂王亚愚薛其坤清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室北京100084

量子霍尔效应是一种可以在宏观尺度出现的量子现象,由二维电子系统在强磁场下所具有的独特拓扑性质所引起.长期以来人们一直希望能够实现不需外磁场的量子霍尔效应,以便将其应用于低能耗电学器件.磁性拓扑绝缘体薄膜可能具有的量子化的... 详细信息

量子霍尔效应是一种可以在宏观尺度出现的量子现象,由二维电子系统在强磁场下所具有的独特拓扑性质所引起.长期以来人们一直希望能够实现不需外磁场的量子霍尔效应,以便将其应用于低能耗电学器件.磁性拓扑绝缘体薄膜可能具有的量子化的反常霍尔效应即是一种可以在零磁场下出现的量子霍尔效应.本文介绍了拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应的概念发展及量子反常霍尔效应如何在磁性掺杂拓扑绝缘体中实验实现,并探讨了量子反常霍尔效应在低能耗器件方面的应用前景.

关键词：量子反常霍尔效应量子霍尔效应拓扑绝缘体磁性掺杂

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磁性拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应

物理学进展 2014年第1期34卷 1-9页

作者：翁红明戴希方忠中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室北京100190 量子物质科学协同刨瓶中心北京100190

量子反常霍尔绝缘体,有时也被称为陈数绝缘体,是不同于普通绝缘体和拓扑绝缘体的一类新的二维绝缘体,该体系具有可被实验观测的特殊物理性质—量子反常霍尔效应。该体系的物态不能用朗道对称性破缺理论来描写,而要用到拓扑物态的概念。... 详细信息

量子反常霍尔绝缘体,有时也被称为陈数绝缘体,是不同于普通绝缘体和拓扑绝缘体的一类新的二维绝缘体,该体系具有可被实验观测的特殊物理性质—量子反常霍尔效应。该体系的物态不能用朗道对称性破缺理论来描写,而要用到拓扑物态的概念。它的发现也经历了从反常霍尔效应的内秉物性阐释,到量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体的发现,再到磁性拓扑绝缘体的理论预测与实现,并最终成功实验观测的漫长过程。由于量子反常霍尔效应的实现不需要外加磁场,而此时样品的边缘态可以被看成一根无能耗的理想导线,因此人们对于其将来可能的应用充满了期待。本文将从理论的角度简单综述该领域的发展历程、基本概念、以及相关的材料系统。

关键词：拓扑绝缘体量子反常霍尔效应贝里相位拓扑不变量

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量子反常霍尔效应研究进展

低温物理学报 2021年第2期43卷 69-88页

作者：张颖胡国静向斌合肥微尺度国家物质科学研究中心中国科学技术大学材料科学与工程系中国科学院材料能量转换重点实验室中国科学技术大学先进光子科学技术安徽省实验室

在没有外加磁场的作用下就能表现出量子化霍尔电导的量子反常霍尔效应已经成为霍尔家族中的重要一员,其物理起源是体能带反转结构和铁磁性相互作用.量子反常霍尔效应最重要的表现是在边缘态处具有无耗散运动的手性电流,这种性质拥有可... 详细信息

在没有外加磁场的作用下就能表现出量子化霍尔电导的量子反常霍尔效应已经成为霍尔家族中的重要一员,其物理起源是体能带反转结构和铁磁性相互作用.量子反常霍尔效应最重要的表现是在边缘态处具有无耗散运动的手性电流,这种性质拥有可以改变未来量子电子学的潜力,极大推动器件小型化、低损耗、高速率发展.近年来,基于理论指导,人们在实验上已多次观察到量子反常霍尔效应.在本文中,从实验层面上重点回顾了量子反常霍尔效应在铬(Cr)、钒(V)掺杂的(Bi, Sb)2Te3体系的研究进展,以及目前量子反常霍尔效应在其它体系中的研究现状,深入理解量子反常霍尔效应的起源和机理,最后对量子反常霍尔效应进行总结和展望.

关键词：量子反常霍尔效应边缘态手性电流 (Bi, Sb)2Te3