我国学者发现陈数可调谐量子的反常霍尔效应

记者18日从中国科学技术大学获悉，合肥国家微尺度材料科学研究中心乔振华教授研究组发现了基于单层过渡金属氧化物的陈数理论可调谐量子反常霍尔效应。这一成果日前发表在国际物理学学术期刊《物理评论快报》上，并入选本期封面。

霍尔效应是一种无耗散的量子输运性质，它是由外加磁场中朗道能级的量子化引起的。但是对外加磁场的要求大大限制了这种效应的实际应用前景。近几十年来，探索无磁场下的量子霍尔效应，即量子反常霍尔效应，引起了许多物理学家的关注，并在理论和实验上取得了很大进展。目前提出或实现的量子反常霍尔效应集中在陈数为1的小陈数系统(基于磁性拓扑绝缘体膜等。)或2(基于单层石墨烯等。)，而陈数的大小直接对应于量子通道的数量。低陈数的现状也显著影响了量子反常霍尔元件的工作效率。

课题组通过系统研究发现，通过施加弱磁场控制单层过渡金属氧化物材料的磁化方向，可以实现不同陈数的量子反常霍尔效应。在费米能级，两种材料都有六个自旋极化的狄拉克点。引入自旋轨道耦合后，每个狄拉克点贡献了量子化霍尔电导的一半，但方向不同。当磁化方向在面内，垂直镜的对称性被打破时，四个狄拉克点具有相同的贝里曲率，而其余两个狄拉克点具有相反的贝里曲率。此时，系统具有陈数为1的量子反常霍尔效应。当磁化方向偏离系统平面时，六个狄拉克点对相同方向的贝里曲率有贡献。此时，系统具有陈数为3的量子反常霍尔效应。

研究结果不仅为研究量子反常霍尔效应提供了新的材料平台，而且揭示了陈数可调的量子反常霍尔效应的存在及其物理原因。记者吴长锋