识别拓扑指纹

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  研究团队负责人FLEET CI A/ Dimi Culcer教授(新南威尔士大学)

  在非磁性导体中产生拓扑反常霍尔效应

• 反常平面霍尔效应(APHE)是动量空间拓扑磁单极子的“确凿证据”

本周公布的一项FLEET理论研究发现了长期寻找拓扑磁单极子(即贝瑞曲率)的“确凿证据”。

这一发现是研究非平衡系统拓扑效应的一个突破。

由新南威尔士大学的Dimi Culcer领导的研究小组发现了半导体孔系统中由平面内磁场驱动的非常规霍尔效应，该效应仅可追溯到Berry曲率。

(相反，普通霍尔效应和反常霍尔效应都需要垂直于表面的磁场/磁化。)

增强的拓扑效应将使低能量拓扑电子技术在大规模室温操作中可行，并且最近被列入IEEE未来电子技术路线图。

孤立应对是突破时刻

“从历史上看，在‘常规导体’中分离拓扑响应一直是一项艰巨的任务，”研究小组负责人a / Dimi Culcer教授(新南威尔士大学)说。“尽管这些拓扑响应被认为在固体中无处不在”。

量子化响应，如量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应提供了拓扑的清晰指纹，但这些仅在一维(1D)系统中观察到，并且与边缘状态的存在密切相关。

在“常规”导体中，即2D和3D系统中，已有大量理论文献预测了拓扑对异常霍尔效应的贡献，但这些在输运测量中从未被明确观察到。

这主要有两个原因:(i)自旋向上和自旋向下的电子通常起相反的作用，它们几乎相互抵消;(ii)剩下的一切都被混乱所淹没。

新的FLEET论文纠正了这一长期存在的缺点，通过确定一个二维系统，其中贝瑞曲率，而且只有贝瑞曲率，负责霍尔信号在应用的平面内磁场线性。

“值得注意的是，所有无序的贡献都消失了:我们不知道任何其他多维系统中这是真的，”主要作者，新南威尔士大学的博士生詹姆斯·卡伦说。“它的实验测量可以在世界上任何一个最先进的实验室中进行，因此我们期待实验家们的强烈兴趣。”

贝里曲率，反常霍尔效应和拓扑材料雷竞技苹果版

研究小组寻找了被称为“贝瑞曲率”的数学痕迹，如果我们想到几何和广义相对论中经常出现的平行移动概念，就可以理解这一点。

“把矢量想象成一个箭头，我们把它放在固体物体表面的某个地方，”迪米解释说。“现在我们移动箭头，确保它始终指向同一角度的表面-这实际上就像一个人沿着地球表面行走。我们最终在箭头绕了一圈后把它带回起点，我们发现，一般来说，它指向一个不同的方向——它神奇地旋转了某个角度。这个角的大小由曲面的曲率决定。”

在量子力学中，我们用波函数代替矢量，但是我们可以用同样的图像来描述动力学，这个曲率被称为贝瑞曲率。

旋转角度被著名的贝瑞相位所取代，贝瑞相位是以数学物理学家迈克尔·贝瑞教授爵士的名字命名的，他在20世纪80年代提出了这个问题。后来，基于诺贝尔奖得主大卫·索利斯(David Thouless)的研究成果，德克萨斯大学奥斯汀分校的牛倩(Qian Niu)表明，贝瑞曲率的行为类似于令人垂涎的磁单极，但不是在真实空间中，而是在动量空间中，这是大多数凝聚态物理学家思考的空间。

贝瑞曲率驱动了非平衡系统中的拓扑效应，因为当施加电场时，电子会加速，所以它的动量会改变。当这种情况发生时，它的波函数变化缓慢，就像“箭头”在平行传输中旋转一样，由于这种逐渐旋转的结果是产生横向(霍尔)电流。非平衡物理的基础Onsager关系表明霍尔电流不耗散能量。极端的情况是量子反常霍尔效应(QAHE)，这是拓扑材料功能的关键量子效应，其中边缘电流可以以有效的零电阻流动。雷竞技苹果版

(“量子”描述了横向(霍尔)电阻中的“阶跃”转变——即，它以离散的步骤而不是平滑的方式变化——而“反常”指的是在没有任何施加磁场的情况下发生的现象。)

研究人员试图增强QAHE，以保护在更高温度下的拓扑行为，允许拓扑电子在室温操作中可行。

Dimi说:“室温qhe所允许的电阻显著降低将使我们能够显著降低电子设备的功耗。”

这项研究

”在非磁性导体中产生拓扑反常霍尔效应:平面内磁场作为贝瑞曲率的直接探针于2021年6月发表在《物理评论快报》上(DOI 10.1103/ physrevlet .126.256601)。

以及来自澳大利亚研究理事会作者感谢国家重点研究与发展计划(中国)和中国博士后科学基金的支持。

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• 联系A/ Dimi Culcer教授d.culcer@unsw.edu.au
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