我國科學(xué)家在高溫量子反?；魻栃睦碚撗芯可先〉弥匾M(jìn)展
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發(fā)布時(shí)間：2016-09-23
在國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目（項目編號：61434002）等資助下，山西師范大學(xué)許小紅教授科研團隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張振宇教授科研團隊經(jīng)過(guò)多年的合作努力，提出一種基于電荷補償型n-p共摻方案在鐵磁性拓撲絕緣體中實(shí)現高溫量子反?；魻栃男滤悸?。該成果于2016年7月27日以“High-Temperature Quantum Anomalous Hall Effect in n-p Codoped Topological Insulators”（在n-p共摻的拓撲絕緣體中實(shí)現高溫量子反?；魻栃轭}在Phys. Rev. Let發(fā)表。論文鏈接： http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.056804。
量子反?；魻栃窃诹阃獯艌?chǎng)條件下產(chǎn)生的量子霍爾效應，三年前首次由清華大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所等單位的合作團隊觀(guān)察到。近三年來(lái)，國內外的多個(gè)實(shí)驗組在磁性摻雜拓撲絕緣體中（比如將Cr/V摻入Sb2Te3）也觀(guān)測到該效應，但都要求極低的實(shí)驗實(shí)現溫度（~30mK)，這一現狀大大限制了該效應在新型電子器件上的潛在應用。其主要瓶頸源于單一磁性元素摻雜導致的拓撲絕緣體帶隙的大幅減小以及實(shí)驗中不可避免的雜質(zhì)非均勻性。受研究團隊之前的系列相關(guān)工作啟發(fā)（比如利用電荷非補償的n-p共摻方案來(lái)引入雜質(zhì)能帶可以有效縮小TiO2的寬能隙，Phys. Rev. Lett.103,226401,2009），研究人員首次提出，將電荷補償型n-p共摻方案引入到鐵磁性拓撲絕緣體中來(lái)實(shí)現高溫量子反?；魻栃ㄈ鐖D所示）。研究發(fā)現，單一元素（如p型的釩原子）摻雜的Sb2Te3在引入共摻元素（如n型碘原子）后，拓撲絕緣體的本征窄小體能隙得到最大程度的保留。同時(shí)，共摻碘元素的引入提供了一系列附加優(yōu)勢，如均相摻雜更易實(shí)現、體系的自旋軌道耦合效應進(jìn)一步增強、費米能級位置的精確調控以及低濃度磁摻即可實(shí)現強鐵磁性等。對釩-碘共摻雜Sb2Te3的鐵磁性質(zhì)和拓撲性質(zhì)的深入研究表明，該共摻雜體系可以實(shí)現超過(guò)50K的量子反?；魻栃?，高出現有的觀(guān)察溫度三個(gè)量級。該發(fā)現為基于量子反?；魻栃牡湍芎?無(wú)能耗電子元器件的實(shí)現奠定了基礎。
本文提出的n-p共摻雜方案具有普適性，為實(shí)驗實(shí)現高溫量子反?；魻栃峁┝酥匾膮⒖挤桨?。
圖 n-p共摻雜示意圖（如用釩（藍色）/碘（紅色）元素分別取代銻/碲元素）
