自拍偷拍 telegram 量子反常霍尔效应的践诺不雅测和体会（四）
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薛其坤 自拍偷拍 telegram
延迟到FeSe高温超导体系
咱们一样运用分子束外延（MBE）的倡导长出原子级平整的FeSe超导薄膜（图1），从而以“黑马”的姿态干与凝合态物理另一个绝顶遑急的范畴——高温超导体系，并于2011年在《科学》杂志发表了关联著述。从多年前作念半导体GaAs时掌持的一些基本劝诫启动，到Bi2Se3、FeSe 和FeTe 的薄膜制备，不错看到这些由两种元素反馈造成的化合物材料的孕育条目口角常近似的，许多东西王人是重迭的。是以，对践诺物理学家而言，学术的长久积蓄和践诺时候的发展绝顶遑急。
图1 原子级平整的FeSe超导薄膜。
telegram 偷拍拓扑绝缘体基人性质的实考据明
管制了基本的材料问题，迅速就要干与第二步——拓扑绝缘体表面上预期了许多道理道理的物理欢快，那么怎样能看到这些基人性质呢？咱们很快用另一台先进仪器讲解了拓扑态的时刻反演对称性、拓扑态是一个无质地的狄拉克费米子体系等论断，这些责任先后在2009年、2010年的《物理褒贬快报》（PRL）上发表。咱们用到的仪器是极低温强磁场STM-MBE聚合系统，在400mK的温度下不错加11个特斯拉的强磁场。（图2）这样，我和陈曦、马旭村、谢心澄等沿途，在对拓扑绝缘体基本物感性质的商讨方面也取得了一些效果，并先后入选2010年度“中国高级学校十大科技发扬”和“中国科学十猛发扬”。咱们的团队成员还获取了2011年度求是了得科技建设集体奖和2012年度陈嘉庚科学奖。
图2 极低温强磁场STM-MBE聚合系统。
第三步：探索新奇的物理效应
回偏执来看，咱们最初用先进的践诺时候管制了拓扑绝缘体的材料问题，接下来又与不同范畴多位科学家互助，讲解拓扑绝缘体有许多绝顶好的基本物感性质。可是对物理学来说，咱们的责任还必须能看到实实在在的物理效应。是以第三步，亦然对表面发展绝顶遑急的一步，便是咱们到底能不成看到新奇的物理效应呢？
尽管拓扑绝缘体的商讨照旧不息多年，但在咱们的责任顺利之前，关联范畴还不曾出现过一个绝顶遑急的物理效应发现。若是这种情况不息下去，包括咱们在内、外洋上许多在这方面一无所获的物理学家可能王人要打退堂饱读了。是以能否不雅测到新奇的物理效应本体上决定着这个范畴的发展。
在新奇物理效应的探索方面，咱们分了三个不同的组。一个组探索竣事量子反常霍尔效应，何珂、王亚愚是这个组中年青而优秀的先头兵，我和马旭村在后头作念监督；另一个组商讨马约拉纳（Majorana）费米子，它的粒子等于它的反粒子，这个若是能在拓扑效应中看到也很有道理，贾金锋在上海交大作念了关联责任；终末，我和陈曦还作念了一些其他方面的商讨，如磁单极的商讨等。
早在1988年，好意思国普林斯顿大学的霍尔丹（F. D. M. Haldane）就预期了莫得磁场的量子霍尔效应。拓扑绝缘体范畴出现之后，张首晟、日本学者永长直东谈主（Nagaosa）和华东谈主学者牛谦等王人预期了怎样由拓扑绝缘体竣事量子反常霍尔效应。其中，有种表面预言认为用拓扑绝缘体原始材料再加上磁性材料掺杂，使它变得有磁性，不就不错竣事量子化的反常霍尔效应了吗？2006年，清华学友祁晓亮和导师张首晟论证了在拓扑绝缘体名义加磁性不错产生量子反常霍尔效应。其后，刘朝星、祁晓亮、戴希、方忠、张首晟建议在Hg1-yMnyTe中也可能竣事量子反常霍尔效应的不雅点。2010岁首，李润中、王靖、祁晓亮、张首晟建议我在前文中提到的Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3等化合物的磁性掺杂从表面上来讲亦然不错的。更近一步的是，在磁性掺杂表面基础上，戴希、方忠、张首晟认为若是将某类材料作念成薄膜的话，就会产生量子反常霍尔效应。因为咱们在对这类材料的商讨方面有绝顶好的基础，是以迅速以此为对象开展了关联践诺。好意思国麻省理工学院、斯坦福大学，日本东京大学，德国维尔茨堡大学等高校王人有进行同类践诺的商讨组，但迄今适度除了咱们，莫得一个组能竣事确实量子化的反常霍尔效应。
材料要求上的难度
这个践诺的难度究竟有多大呢？先讲材料要求上的难度。量子反常霍尔效应的竣事对材料的要求有三点：（1）材料必须具有铁磁性从而存在反常霍尔效应；（2）既然是磁性的拓扑绝缘体，即使加了磁性以后，材料必须如故绝缘的，也便是体内电子对导电莫得任何孝敬；（3）材料的电子结构必须具有拓扑特质——竣事“电子高速公路”的一维导电通谈。对于这三点，王亚愚有个活泼的譬如：就像一个东谈主，既要有短跑通达员的速率，又要有篮球通达员的高度，还要加上体操通达员的精通。一个东谈主同期作念到这三点很退却易，就特别于咱们对材料建议了险些不可能竣事的刻薄要求。把材料作念到具有铁磁性从物理上讲很容易，不错多掺少量铁、镍。但一朝有铁磁性之后，它就很难绝缘了。之前讲过，两个顶尖群众的践诺标明，一个两元的化合物王人很难绝缘，若是加上铁、钴、镍这样的磁性材料，就更难作念到绝缘了，是以第二点险些是不可能竣事的。第三点，磁性掺多了会碎裂铁磁特质，掺少了又不造成拓扑特质，因此掌持“火候”也不是很容易。
咱们终末竣事量子反常霍尔效应的材料是Cr0.15(Bi0.1Sb0.9)1.85Te3，即使对学化学的东谈主来说，这亦然一个绝顶复杂的分子式，何况咱们是作念物理的。若是一启动有东谈主预期说Bi2Te3、Sb2Te3和Cr的化合物会出现量子反常霍尔效应，我也许一看就认为不可能，不会往下作念。可是咱们从最基本的材料启动，一步一步走下去，居然就找到了这样一个绝顶复杂的材料。
材料质地上的要紧挑战
之前我谈到了《科学》杂志发表著述中的两元化合物Bi2Te3，斯坦福大学的费舍尔为了制作这个样品，把高纯度的锑与碲在石英管中均匀羼杂，石英管在700℃的温度下加热两个小时，再花4天时刻降到475℃。让两种材料均匀反馈并加向前期准备践诺的话，作念一个样品的全进程需要5天时刻，但它如故导电的。这样顶尖的群众王人作念不到，只可阐明这个材料如实很难发现。普林斯顿大学的卡瓦制备Bi2Se3，是把高纯度的铋Bi和硒Se均匀羼杂，在石英管中加热到850℃，再用两天时刻降到650℃，保温一周，扫数这个词践诺需要10天，依然导电。东京大学的十仓好纪（Yoshinori Tokura）也口角常优秀的物理学家，他场地的团队亦然在铋和碲方面作念，将高纯原材料均匀羼杂，在石英管中加热两天，温度为800℃，用一周冉冉降温孕育单晶，也需要10天，一样是导电的。因此，这不是一项简短的责任。
图3 扫数这个词践诺室一个绝顶有机的互助进程。
咱们寻找的容颜和他们不一样，效力也更高些。何珂用MBE-STM-ARPES聚合系统加上王亚愚的霍尔效应（Hall effect）输运系统，两台机器沿途互助， 从2010年1月启动尝试竣事量子反常霍尔效应。咱们的倡导是h/e2 = 25812.807557 Ω（量子霍尔电阻ρxy）。它绝缘，况且也应该是量子化的。咱们用分子束外延（MBE）时候进行磁性掺杂，用扫描刎颈诤友显微镜（STM）进行名义描述测量，看它是否均匀，然后用角分手光电子能谱（ARPES）分析其电子结构，之后要把5纳米的薄膜安全地保护起来，再进行电输运、磁性测量，一个周期下来要两三天，无意测量需要24个小时以致48小时。由此咱们启动了一个绝顶有机的互助进程。（图3）
（未完待续。本文笔据薛其坤院士2013年4月27日作客清华论坛所作证明裁剪整理。裁剪整理/程曦 张硕 向小雨 贾霄宇 马逸昕 韩靖北 周诗宇）
着手：新清华2013-09-13 第1929期