中國科大在陳數(shù)可調(diào)量子反?；魻栃矫嫒〉眯逻M展

近日，我校合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心國際量子功能材料設計中心與物理系喬振華教授研究組基于單層過渡金屬氧化物發(fā)現(xiàn)了理論上陳數(shù)可調(diào)的量子反常霍爾效應。該成果于2022年7月14日發(fā)表在物理類國際著名學術(shù)期刊《物理評論快報》上[Phys. Rev. Lett.129，036801 (2022)]，并被選為當期封面。論文第一作者為2022屆博士畢業(yè)生李澤宇。

量子霍爾效應是一種在外加強磁場下由于朗道能級量子化導致的無耗散的量子輸運特性。然而，外加強磁場這一需求極大地限制了該效應的實際應用前景。近幾十年來，探索無磁場的量子霍爾效應（即量子反常霍爾效應）吸引了眾多物理學家的關(guān)注，并在理論和實驗上都取得了很大進展。目前，已經(jīng)提出或?qū)崿F(xiàn)的量子反?；魻栃性陉悢?shù)為1（基于磁性拓撲絕緣體薄膜等）或者2（基于單層石墨烯等）的小陳數(shù)體系，而陳數(shù)的大小直接對應量子通道的多少，低陳數(shù)的現(xiàn)狀也顯著影響了量子反?；魻柶骷墓ぷ餍?。在探索大陳數(shù)或者陳數(shù)可調(diào)量子反?；魻栃矫?，研究人員主要是通過控制磁性拓撲絕緣體薄膜厚度或者磁性摻雜濃度的手段來實現(xiàn)不同陳數(shù)的量子反?；魻栃Ｐ枰赋龅氖?，在所有這些體系中，一旦樣品或者器件制備好，相應的量子反常霍爾效應的陳數(shù)大小也被唯一確定。

圖：單層PdSbO3貝里曲率的分布和能譜。(a-b)磁化方向沿x軸；(c-d)磁化方向沿z軸。

（現(xiàn)在的圖例完全與QAHE及陳數(shù)無關(guān)）

在本工作中，該研究組經(jīng)過系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)在單層過渡金屬氧化物材料NiAsO3和PdSbO3上通過外加一個弱磁場調(diào)控材料的磁化方向便可實現(xiàn)不同陳數(shù)的量子反常霍爾效應。研究發(fā)現(xiàn)，在費米能級處，這兩種材料都具有六個自旋極化的狄拉克點。在引入自旋-軌道耦合作用之后，每個狄拉克點貢獻半個量子化的霍爾電導，但方向各異。當磁化方向處于面內(nèi)且破壞垂直鏡面對稱性時，其中四個狄拉克點擁有相同的貝里曲率，而剩下兩個狄拉克點處貝里曲率相反；此時，體系具有陳數(shù)為1的量子反?；魻栃?。而當磁化方向偏離體系平面時，六個狄拉克點貢獻同向的貝里曲率。此時，體系具有陳數(shù)為3的量子反常霍爾效應。該項研究不僅提供了一種新型的研究量子反常霍爾效應的材料平臺，更重要的是揭示了存在陳數(shù)可調(diào)的量子反?；魻栃捌湮锢沓梢?。

該工作得到了國家自然科學基金委、安徽省、?？蒲胁亢托Ｈ肆Y源部的資助。