作者:谢心澄等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2015/1/7 18:31:28
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综述:分数量子霍尔效应的实验新进展

 

量子霍尔效应是凝聚态物理领域重要和基本的量子效应之一,近年来,我国科学家在该领域也取得了一系列科学突破。最近,北京大学量子材料科学中心谢心澄教授,杜瑞瑞教授和林熙副教授在《国家科学评论》发表综述文章(http://nsr.oxfordjournals.org/content/1/4/564.full)介绍相关的实验研究最新进展。

1879年,霍尔效应被物理学家霍尔在研究金属的导电机制时发现,显示出磁场和感应电压之间的关系:当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差。

二维电子气体在低温强磁场条件下,霍尔电阻随磁场变化可以出现量子化平台,称为量子霍尔效应。1982年,美籍华裔物理学家崔琦(Daniel CheeTsui)和美国物理学家施特默(Horst L. Stormer)在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应,其霍尔电阻不仅是量子化的,而且是常数h/e2除以某一个分数。第一个被观测到的分数态是1/3态,之后接近100个分数态被观测到,这其中大部分是以奇数为分母的分数量子霍尔态,它们可以用复合费米子模型等理论去解释。

5/2量子霍尔态比较特殊,它是一个偶数分母分数态,无法用原有的奇数分母量子霍尔效应的物理去理解。本期《国家科学评论》发表的这篇综述文章介绍了一系列尝试理解5/2态的实验努力,涉及能隙、自旋极化、分数电荷及相互作用参数等。目前看来,我们仍需更多努力以确定5/2量子霍尔态的基态波函数,但现有的实验和理论结果更支持其具有非阿贝尔统计性质。5/2量子霍尔态,为简单电子间复杂的多体相互作用的研究提供了特殊平台,也在拓扑量子计算中具备潜在应用前景。

该文还总结了近年来关于石墨烯的分数量子霍尔实验。分数量子霍尔效应于2005年在石墨烯中被观测到,比起通常产生二维电子气体的半导体异质结,石墨烯独特的电子结构和对称性为分数量子霍尔效应增加了新的物理内涵。石墨烯可以用来研究高朗道能级的分数量子霍尔效应和边界物理现象。随着单层石墨烯材料的样品质量改善和更低的测试温度,有可能在石墨烯中发现更多的分数量子霍尔态,甚至可能包括偶分母分数态和非阿贝尔统计性质。

尽管分数量子霍尔效应已经被发现了三十多年,但该领域依然不断呈现着令人感兴趣的新物理现象,吸引着更多的物理学家来继续探索。(来源:科学网)

 
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