我国科学家在高温量子反常霍尔效应的理论研究上取得重要进展
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发布时间：2016-09-23
在国家自然科学基金重点项目（项目编号：61434002）等资助下，山西师范大学许小红教授科研团队与中国科学技术大学张振宇教授科研团队经过多年的合作努力，提出一种基于电荷补偿型n-p共掺方案在铁磁性拓扑绝缘体中实现高温量子反常霍尔效应的新思路。该成果于2016年7月27日以“High-Temperature Quantum Anomalous Hall Effect in n-p Codoped Topological Insulators”（在n-p共掺的拓扑绝缘体中实现高温量子反常霍尔效应）为题在Phys. Rev. Let发表。论文链接： http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.056804。
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，三年前首次由清华大学、中国科学院物理研究所等单位的合作团队观察到。近三年来，国内外的多个实验组在磁性掺杂拓扑绝缘体中（比如将Cr/V掺入Sb2Te3）也观测到该效应，但都要求极低的实验实现温度（~30mK)，这一现状大大限制了该效应在新型电子器件上的潜在应用。其主要瓶颈源于单一磁性元素掺杂导致的拓扑绝缘体带隙的大幅减小以及实验中不可避免的杂质非均匀性。受研究团队之前的系列相关工作启发（比如利用电荷非补偿的n-p共掺方案来引入杂质能带可以有效缩小TiO2的宽能隙，Phys. Rev. Lett.103,226401,2009），研究人员首次提出，将电荷补偿型n-p共掺方案引入到铁磁性拓扑绝缘体中来实现高温量子反常霍尔效应（如图所示）。研究发现，单一元素（如p型的钒原子）掺杂的Sb2Te3在引入共掺元素（如n型碘原子）后，拓扑绝缘体的本征窄小体能隙得到最大程度的保留。同时，共掺碘元素的引入提供了一系列附加优势，如均相掺杂更易实现、体系的自旋轨道耦合效应进一步增强、费米能级位置的精确调控以及低浓度磁掺即可实现强铁磁性等。对钒-碘共掺杂Sb2Te3的铁磁性质和拓扑性质的深入研究表明，该共掺杂体系可以实现超过50K的量子反常霍尔效应，高出现有的观察温度三个量级。该发现为基于量子反常霍尔效应的低能耗/无能耗电子元器件的实现奠定了基础。
本文提出的n-p共掺杂方案具有普适性，为实验实现高温量子反常霍尔效应提供了重要的参考方案。
图 n-p共掺杂示意图（如用钒（蓝色）/碘（红色）元素分别取代锑/碲元素）
