量子霍尔效应

量子霍尔效应第1页，共26页，2023年，2月20日，星期四霍尔效应（Halleffect）1879年美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）首先发现

第2页，共26页，2023年，2月20日，星期四实验测定RH：霍尔系数与材料种类有关第3页，共26页，2023年，2月20日，星期四

qE=qvB

E=vB

U=Eb=vBb

电流微观表达式：I=nqvS=nqvbd

来了第4页，共26页，2023年，2月20日，星期四

理论推导实验测定

霍尔系数第5页，共26页，2023年，2月20日，星期四反常霍尔效应1880年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转。反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的，因此是一类新的重要物理效应。第6页，共26页，2023年，2月20日，星期四1980年德国物理学家克里津（K.von.Klitizing，1943-）发现量子霍尔效应，1985年获得诺贝尔奖第7页，共26页，2023年，2月20日，星期四霍尔电阻U=IR*第8页，共26页，2023年，2月20日，星期四材料：金属氧化物场效应管（MOSFET)磁感应强度：18T温度：1.5K第9页，共26页，2023年，2月20日，星期四霍尔电阻呈现出与外磁场的梯形函数关系第10页，共26页，2023年，2月20日，星期四其中有1个电阻平台的量子霍尔电阻Rk=25812.807可以用2个基本的物理常数h和e表示出来，即=Rk=25812.807Rk的阻值定义为克里津常数第11页，共26页，2023年，2月20日，星期四其他电阻平台的阻值非常准确的以c除以某个整数做量子化的变化量子霍尔电阻表达式：R*=其中i=1,2,3…量子霍尔电阻值与材料的种类，形状，尺寸，制备方法都没有关系。第12页，共26页，2023年，2月20日，星期四分数量子霍尔效应1982年，美籍华裔物理学家崔琦，和另外两位美国科学家施特默（H.L.Stormer),劳克林（R.B.Laughlin)发现分数量子霍尔效应，第13页，共26页，2023年，2月20日，星期四材料：砷化镓（GaAs）和砷铝化镓（AlGaAs）压在一起结合成的半导体晶片磁感应强度B=20T温度：0.1K第14页，共26页，2023年，2月20日，星期四第15页，共26页，2023年，2月20日，星期四崔琦，施特默（H.L.Stormer),劳克林（R.B.Laughlin)获1998年诺贝尔物理学奖第16页，共26页，2023年，2月20日，星期四量子霍尔效应的应用量子化霍尔效应最主要的应用是建立电阻自然基准。第17页，共26页，2023年，2月20日，星期四实物基准米：过巴黎的子午线长度的4000万分之一档案米尺自然基准米：光在真空中1/299792458秒内行进的距离第18页，共26页，2023年，2月20日，星期四利用量子化霍尔效应实现的直流电阻自然基准已经得到广泛应用，量子化霍尔电阻标准被国际计量局认定为复现欧姆量值的标准装置，是已知最稳定的电阻标准。从1990年1月1日起在世界范围内启用量子霍尔电阻自然基准。第19页，共26页，2023年，2月20日，星期四量子霍尔效应应用的困难极低温度极高磁感应强度1T=10000Gs地磁场：0.5—0.6Gs第20页，共26页，2023年，2月20日，星期四1988年，美国物理学家霍尔丹提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。第21页，共26页，2023年，2月20日，星期四反常量子霍尔效应2008年斯坦福大学教授张首晟指出了实现量子反常霍尔效应的新方向——磁性掺杂的拓扑绝缘体2010年，中科院物理所方忠、戴希带领的团队与张首晟教授等合作，提出Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓扑绝缘体中存在着特殊的V.Vleck铁磁交换机制，能形成稳定的铁磁绝缘体，是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等有多个世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应，但一直没有取得突破。第22页，共26页，2023年，2月20日，星期四方忠戴希张首晟第23页，共26页，2023年，2月20日，星期四薛其坤领衔的清华大学和中科院物理所团队经过近4年的研究，生长测量了1000多个样品。最终，他们利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂Bi2Te3

，Sb2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。第24页，共26页，2023年，2月20日，星期四相关名词和理论1.朗道能级2.二维电子气3.拓扑绝缘体4.分子束外延（MBE)5.铁磁交换机制第25页，共26页，2023年，2月20日，星期四

参考资料

1.《普通物理学》2.《量子霍尔效应的发展