量子自旋霍尔效应查看源代码讨论查看历史
| 量子自旋霍尔效应 |
“量子自旋霍尔效应”是指找到了电子自旋方向与电流方向之间的规律，利用这个规律可以使电子以新的姿势非常有序地“舞蹈”，从而使能量耗散很低。在特定的量子阱中，在无外磁场的条件下（即保持时间反演对称性的条件下），特定材料制成的绝缘体的表面会产生特殊的边缘态，使得该绝缘体的边缘可以导电，并且这种边缘态电流的方向与电子的自旋方向完全锁定，即量子自旋霍尔效应。
简介
如果量子自旋霍尔系统中一个方向的自旋通道能够被抑制，比如，通过铁磁性，这自然地会导致量子反常霍尔效应。铁磁导体中的霍尔电阻由正比于磁场的正常霍尔效应部分和正比于材料磁化带来的反常霍尔效应部分组成。量子反常霍尔效应指的是反常霍尔效应部分的量子化。量子自旋霍尔效应的发现极大地促进了量子反常霍尔效应的研究进程。前期的理论预言指出，量子反常霍尔效应能够通过抑制HgTe系统中的一条自旋通道来实现。遗憾的是，还没有能够在这个材料系统实现铁磁性，即而无法实现量子化反常霍尔效应。后来又有理论预言指出，将Bi2Se3这种拓扑绝缘体材料做薄并且进行磁性掺杂，就有可能能够实现量子霍尔电阻为h/(ve2)的量子反常霍尔效应。这个理论预言被常翠祖等人通过实验证实。（要在实验上实现量子反常霍尔效应，）常翠祖等人需要战胜一系列非常困难的材料问题。量子反常霍尔效应要求材料的体导电和表面导电通道完全被抑制掉。上面理论预言的Bi2Se3体系，由于存在不可避免的Se空位缺陷导致的高浓度的电子型掺杂，不能满足实现量子反常霍尔效应的要求。为了避免这个问题，选择了（Bi1-xSbx)2Te3体系。这个体系中，可以通过改变Sb的组分x，能够将费米能级调到铁磁性导致的能隙内的电荷中性点上。通过对材料各种参数进一步的不断优化，最终实现了无外加磁场情况下量子化的霍尔电阻。
评价
观察到的量子反常霍尔效应的性质是非常稳定的。首先，为了避免自旋翻转散射的影响，观测量子自旋霍尔效应需要微小尺寸的样品，而量子反常霍尔效应能够在几百微米量级的宏观尺度下实现。其次，这种严格的量子化能够在具有相当低的迁移率和非零体导电通道的材料中实现。这些都说明量子反常霍尔效应比量子自旋霍尔效应要稳定得多，可以媲美甚至比量子霍尔效应有更强的适应能力。1980年，德国和英国研究人员发现了量子霍尔效应，除了带有电荷外，电子还拥有另一个特性——自旋。理论家便预言，拥有正常电子结构的材料可以与电场发生作用并最终出现量子自旋霍尔效应，也就是说，可以获得一种自旋驱动的且几乎没有能量损失的导电性。这种材料也无需满足强磁场和低温这两个条件。[1]