我學者發現陳數可調量子反常霍爾效應

記者18日從中國科學技術大學獲悉，該校合肥微尺度物質科學國家研究中心喬振華教授研究組，基於單層過渡金屬氧化物發現了理論上陳數可調的量子反常霍爾效應。該成果日前發表在物理類國際學術期刊《物理評論快報》上，並被選為當期封面。

量子霍爾效應是一種在外加強磁場下由於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注，並在理論和實驗上都取得了很大進展。目前，已經提出或實現的量子反常霍爾效應集中在陳數為1（基於磁性拓撲絕緣體薄膜等）或者2（基於單層石墨烯等）的小陳數體系，而陳數的大小直接對應量子通道的多少，低陳數的現狀也顯著影響了量子反常霍爾器件的工作效率。

研究組經過系統研究發現，通過外加一個弱磁場調控單層過渡金屬氧化物材料的磁化方向，便可實現不同陳數的量子反常霍爾效應。在費米能級處，這兩種材料都具有6個自旋極化的狄拉克點。在引入自旋—軌道耦合作用之後，每個狄拉克點貢獻半個量子化的霍爾電導，但方向各異。當磁化方向處於面內且破壞垂直鏡面對稱性時，其中4個狄拉克點擁有相同的貝裏曲率，而剩下2個狄拉克點處貝裏曲率相反；此時，體系具有陳數為1的量子反常霍爾效應。而當磁化方向偏離體系平面時，6個狄拉克點貢獻同向的貝裏曲率。此時，體系具有陳數為3的量子反常霍爾效應。

該項研究成果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可調的量子反常霍爾效應及其物理成因。