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Nature系列 | 首次观测到半整数化的量子霍尔效应

2022年1月28日，东京大学十倉好紀（Yoshinori Tokura）教授课题组在国际专业期刊Nature Physics上在线发表了名为「Experimental signature of the parity anomaly in a semi-magnetic topological insulator」的研究成果，该研究首次在拓扑绝缘体材料表面观测到了半整数的量子霍尔效应，证明了2D狄拉克电子的量子异常的存在。

https://www.nature.com/articles/s41567-021-01490-y.pdf

01研究亮点

在自制的拓扑绝缘体薄膜中发现1/2量子化的霍尔电导率
反映了在拓扑绝缘体表面有与2D狄拉克电子相关的量子异常
有望开展基于单一狄拉克电子的基础物理学

02研究概要

【背景】

普通金属中的电子表现得像自由粒子，但在特殊物质中，根据狭义相对论，已知传导电子表现为相对论粒子。由于这些物质表现出独特的电子学和光学反应，因此受到了极大的关注。例如，碳原子在二维平面上以六边形连接的石墨烯，作为相对论粒子之一的“狄拉克电子”存在于被称为拓扑绝缘体的物质的表面。已知在相对论粒子的量子理论中，存在各种量子异常。众所周知，二维狄拉克电子会导致“宇称异常”，其中宇称（空间反演）对称性和时间反演对称性在规范场对称下不被保留。

奇偶异常的重要后果之一是“半整数量子霍尔效应”，其中霍尔电导率取量子化霍尔电导率值e²/ h的一半。根据量子理论，已知二维系统中的狄拉克电子总是成对存在，以避免这种反常现象。而在三维材料的表面或界面的情况下，则没有这样的限制，可以存在单个狄拉克电子。拓扑绝缘体就是一个例子，单个狄拉克电子存在于样品的顶部和底部表面。因此，如果时间反演对称性只能在任一表面上破坏，则可以预期与奇偶异常相关的霍尔电导率的半整数量化可以被测量。在以前的研究中，已经观察到由于上下表面的贡献引起的量子霍尔效应和异常霍尔效应。然而，半整数量子霍尔效应尚未得到证实，因为很难仅测量表面一侧的贡献。

【结果与讨论】

本研究中，研究小组采用分子束外延法制作了拓扑绝缘体叠层结构薄膜（图1，左），非磁性拓扑绝缘体(Bi1-xSbx) 2Te3和添加磁性杂质的磁性拓扑绝缘体Cr0.24。在添加Cr的磁性层侧的表面上破坏了时间反演对称性，因此可以预期奇偶异常（半整数量子霍尔电导率）仅在上表面出现增加。为了测量与这种奇偶异常相关的霍尔电导率，进行了太赫兹光偏振测量和电导测量。在太赫兹光偏振测量中，测量冷却至1K（约-272°C）的样品透射光的偏振（图1，右）。透射的太赫兹光的能量非常低，因此它在透射时几乎没有被样品吸收。此时，由于磁性层表面的霍尔导电性，会发生极化旋转（法拉第旋转）。将本研究得到的法拉第旋转角与之前研究的整数量化值进行比较，发现前者是后者的一半，并且发现霍尔电导率是半整数量化的。

接着，为了高精度地测量太赫兹光测量中使用的样品的导电特性，将该装置加工成图2所示的元件。由冷却后的样品得到的纵向电压值和霍尔电压值计算霍尔电导率时，发现半整数量子霍尔电导率e²/(2h)。还发现这种半整数量子霍尔电导率发生在50 mK到2K的宽温度范围内。此外，发现大量具有不同样品组成的样品获得了相似的结果，证实了该结果是该物质的固有现象。如上所述，在太赫兹光偏振测量和导电测量这两个独立实验中观察到由于奇偶异常引起的霍尔电导率的半整数量化。

本研究由东京大学，理化学研究所，日本东北大学和美国麻省理工学院共同合作完成；第一作者为Masataka Mogi博士，通讯作者为Masataka Mogi和Yoshinori Tokura博士。本文受到日本政府科学技术振兴机构与JST事业的经费支持。

03作者介绍

十倉好紀（Yoshinori Tokura），日本凝聚态物理学家。东京大学卓越教授，特别荣誉教授。Tokura教授致力于半导体和原子物理的基础研究，是强相关电子研究领域的权威专家。曾获等2002年朝日奖，2003年日本紫受褒章奖，2013年日本学士院奖和2020年日本文化功劳者奖等重大奖项；是凝聚态物理学界的世界高引学者;在Nature系列，Science，Physical Review系列等国际知名科学杂志发表研究型论文1500余篇。其研究成果被引用120000余次，其中单篇最高引用数达5300余次，h指数为155 (2022/01/29/, Publons)。因Tokura教授长期在高温超导与铁电材料领域的卓越贡献，被誉为诺贝尔物理学奖的有力竞争者。