中国科大在陈数可调量子反常霍尔效应方面获进展

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际量子功能材料设计中心与物理系教授乔振华研究组基于单层过渡金属氧化物发现了理论上陈数可调的量子反常霍尔效应。7月14日，相关研究成果发表在《物理评论快报》上。

量子霍尔效应是一种在外加强磁场下朗道能级量子化导致的无耗散的量子输运特性。然而，外加强磁场这一需求限制了该效应的实际应用。近几十年来，探索无磁场的量子霍尔效应（即量子反常霍尔效应）吸引了众多物理学家的关注，并在理论和实验上取得了重要进展。目前，已提出或实现的量子反常霍尔效应集中在陈数为1（基于磁性拓扑绝缘体薄膜等）或者2（基于单层石墨烯等）的小陈数体系，而陈数的大小直接对应量子通道的多少，低陈数的现状显著影响量子反常霍尔器件的工作效率。在探索大陈数或者陈数可调量子反常霍尔效应方面，研究人员主要是通过控制磁性拓扑绝缘体薄膜厚度或磁性掺杂浓度的手段来实现不同陈数的量子反常霍尔效应。需要指出的是，在所有这些体系中，一旦样品或器件制备好，相应的量子反常霍尔效应的陈数大小也被唯一确定。

本工作中，研究组系统研究发现，在单层过渡金属氧化物材料NiAsO₃和PdSbO₃上通过外加一个弱磁场调控材料的磁化方向便可实现不同陈数的量子反常霍尔效应。研究发现，在费米能级处，这两种材料均具有六个自旋极化的狄拉克点。在引入自旋-轨道耦合作用之后，每个狄拉克点贡献半个量子化的霍尔电导，但方向各异。当磁化方向处于面内且破坏垂直镜面对称性时，其中四个狄拉克点拥有相同的贝里曲率，而剩下两个狄拉克点处贝里曲率相反；此时，体系具有陈数为1的量子反常霍尔效应。而当磁化方向偏离体系平面时，六个狄拉克点贡献同向的贝里曲率。此时，体系具有陈数为3的量子反常霍尔效应。该研究提供了新型的研究量子反常霍尔效应的材料平台，并揭示了存在陈数可调的量子反常霍尔效应及其物理成因。

研究工作得到国家自然科学基金、安徽省与中国科大的支持。

论文链接

单层PdSbO₃贝里曲率的分布和能谱。（a-b）磁化方向沿x轴，（c-d）磁化方向沿z轴。（现在的图例完全与QAHE及陈数无关）