【蔻享科讯】Science发布：量子反常霍尔效应突破性进展

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温馨提示：最下方有三个学术报告视频介绍该工作（其中张远波教授中、英文报告各一个，王靖教授英文报告一个）

背景介绍

量子反常霍尔效应是在零外磁场条件下产生的量子霍尔效应，已经成为当今凝聚态物理领域一个备受关注的研究热点。传统的量子霍尔效应源于电子在外加强磁场作用下的朗道能级；而作为一种新的量子态，量子反常霍尔效应源于材料自身的自旋轨道耦合和局域交换场的协同作用。该效应在1988年首先由美国科学家F. D. M.Haldane在理论上提出，随后物理学家们试图在多类新型量子材料中实现这一效应。直到2013年才首次由清华大学的薛其坤教授所主导的国际研究团队，在超低温（~0.03K）的极端条件下，在磁性元素掺杂的拓扑绝缘体中观测到[Science 340, 167 (2013)]。截至目前，国内外的多个实验组都已经在磁性掺杂拓扑绝缘体中(比如将Cr/V掺入(Bi,Sb)₂Te₃)观测到该效应，但都要求极低的实验实现温度，这大大限制了该效应在新型电子器件上的潜在应用。主要瓶颈可能与实验中不可避免的磁性掺杂元素的非均匀性分布相关。因此，如何在更高温度或其它更易实现的体系里观察到这一新奇的量子效应，具有重要的基础与应用价值。
最近，MnBi₂Te₄范德华层状材料体系在实验上成功的制备出来，并被证明是本征的磁性拓扑绝缘体。该材料由Mn-Bi-Te元素构成的7个原子层为基本模块单元，在模块单元内Mn元素间是铁磁耦合，而通过范德华相互作用堆叠的模块单元间是反铁磁耦合。这导致MnBi₂Te₄薄膜体系的磁性会随堆叠层的奇偶数而变，在奇数堆叠层内，由于有未完全抵消的磁矩而呈现出剩余的铁磁性，因此，奇数层（例如三层或五层）的MnBi₂Te₄薄膜体系被认为是可以实现量子反常霍尔效应的理想体系。

实验重大突破

复旦大学张远波课题组和王靖课题组，与中国科学技术大学陈仙辉院士团队合作，首次在本征磁性拓扑绝缘体中在1.4K观测到量子反常霍尔效应。该研究成果以"Quantum Anomalous Hall Effect in Intrinsic Magnetic TopologicalInsulator MnBi₂Te₄"为题于1月23日（美国东部时间）发表在国际顶级学术期刊《Science》上。

中国科学技术大学微尺度物质科学中心和物理系陈仙辉教授与复旦大学物理学系张远波教授和王靖教授为论文共同通讯作者。中国科学技术大学微尺度国家科学中心博士生石孟竹与复旦大学物理学系博士生邓雨君和博士后於逸骏为论文共同第一作者。

在磁性拓扑绝缘体中，非平庸的拓扑能带结构与长程磁有序的结合将诱导出一系列新奇量子现象和拓扑物态，量子反常霍尔效应和轴子绝缘体是其中的典型代表。为了引入长程磁有序，现行的方法为磁性杂质掺杂。然而这种磁性掺杂的随机性不可避免地会引入一些无序，使得这些新奇物态的观测只能在极低温(mK)实现，也阻碍了进一步对其进行物理研究。近来，本征磁性拓扑绝缘体(MnBi₂Te₄)m(Bi₂Te₃)n系列材料的发现为解决这些问题提供了新思路。这类材料均含有MnBi₂Te₄层，在层内Mn离子之间铁磁排列，而层与层之间则形成反铁磁耦合。理论预言其拓扑表面态会因时间反演对称性破缺而打开能隙，从而为实现量子反常霍尔效应等量子现象提供了理想平台。陈仙辉课题组在前期工作中研究了这一系列单晶材料中的本征磁性及拓扑性质，并制备出高质量的单晶材料，为实现理论预言的量子反常霍尔效应奠定了基础。

相关视频

张远波教授在第二十二届全国半导体物理学术会议中作了题为：“Magnetic-field-induced quantized anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi₂Te₄”（中文版）

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在ICFSI-17会议中，张教授也以题为“Magnetic-field-induced quantized anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi₂Te₄”作了精彩报告。（英文版）（点击图片可观看精彩视频）

另外，王靖教授在第五届量子信息、时空、拓扑态国际会议中也以题为“Axion response in antiferromagnetic topological insulator”作了相关报告。（英文版）

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个人简介

图 | 张远波

张远波，2000年在北京大学技术物理系获学士学位，北京大学经济研究中心获双学士学位，2006年于美国纽约哥伦比亚大学获物理系博士学位，2006年-2009年在加州大学伯克利分校任Miller Research Fellow，从事博士后研究工作，2010年在IBM Almaden Research Center做博士后研究员，2011年至今，在复旦大学物理系任教授、博士生导师。其研究领域：实验凝聚态物理。1）研究在石墨烯中相对论效应对电子影响，包括由此引起的反常量子霍尔效应，准自旋物理等。2）发展新的样品制备和探测手段来研究其它低维度系统的结构和电磁性质。3）在极端物理条件下（极低温度，超强磁场）用电子输运的办法来观察所有这些低维电子体系的电磁特性，寻找可能存在的新的量子基态。图 | 王靖
王靖，2001-2011年毕业于清华大学物理系，获本科、博士学位。（导师：朱邦芬）。2011-2015年斯坦福大学物理系博士后。（导师：张首晟）。2015-2016年任斯坦福SLAC，Research Associate。2016年至今任复旦大学物理系教授。目前主要从事凝聚态物理理论的研究，主要研究兴趣集中在凝聚态体系中的新奇量子现象的理论研究。目前研究课题包括拓扑绝缘体和拓扑超导体，拓扑半金属，自旋电子学，低维量子体系的电子和输运性质，介观体系的非线性光学。主要研究成果发表于国际一流刊物，目前发表论文40余篇，其中包括在Physical Review Letters上发表12篇，Nature Physics一篇，Nature Materials一篇，Nature Nanotechnology一篇，Science两篇，Nature一篇等。多个理论工作被实验验证和应用。论文总引用2500多次，H指数为24。于2013年获得全国优秀博士学位论文奖。2016年获得中组部教育部重要人才计划支持。

图 | 陈仙辉

陈仙辉，中国科学院院士，中国科大教授，中科院强耦合量子材料物理重点实验室主任。获国家杰青，国家自然科学一等奖，获国际超导材料最高奖Bernd T. Matthias奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、TWAS第三世界科学院物质科学奖等。主要从事新型非常规超导体的探索及超导和强关联物理的硏究。成就包括：在铁基超导体硏究中常压下突破麦克米兰极限；发展了一种新超导体合成方法，并首次获得零电阻温度43K的新型铁硒类超导体-锂铁氢氧铁硒；发展了固体离子场效应技术，在FeSe薄层中实现大范围的载流子浓度调控，获得高温超导相和观察到超导-绝缘态转变，开辟了利用固态离子导体门电压技术探索超导电性的研究方向；与合作者成功制备大面积单层Bi2212单晶，并给出了二维极限下的单层铜基超导体具有和块体铜基超导体相同超导特性的实验证据；与合作者成功实现黑磷晶体场效应管，开辟了继石墨烯之后又一个量子功能材料领域。发表SCI学术论文390余篇（其中Science 1篇、Nature6篇、Nature子刊19篇、PRL37篇、PRX5篇），单篇论文最高引用超过3500次。

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