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国内首次完成量子霍尔效应的实验

发布时间:2007-02-02

整数和分数量子霍尔效应(分别获得1985年和1998年两度Nobel物理学奖),开创了凝聚态物理学的一个新纪元,此后一系列的实验和理论的新发现,不断给人们带来激动人心的欣喜,同时也对整个物理学的发展起着推动作用。

在几个K左右的低温和几个T左右的强磁场下,二维电子气将呈现一系列的精确保持整数倍的霍尔平台。整数量子霍尔效应可以理解为当电子处在局域态时, 霍尔电阻不随磁场改变并保持为的整数倍,即对应于霍尔平台,而电子处在扩展态时,其霍尔电阻将发生迅速变化,对应于平台之间的改变。因此霍尔电阻从一个平 台到下一个平台的变化,可以看成是电子发生了从局域态到扩展态的量子相变。1989年,崔琦教授(因分数量子霍尔效应的发现而获得1998年Nobel物 理学奖)领导的小组在InGaAs/InP异质结上发现整数量子霍尔效应中平台与平台之间的相变满足一系列的标度率,并测量得到了这一相变具体的临界指 数。这一工作很快激发了众多的理论和实验小组的强烈兴趣,并成为整个90年代二维电子气领域的一个研究热点。

以前人们主要集中在研究平台之间量子相变的临界指数,理论上采用各种模型和计算方法,实验上则利用各种测量工具和手段。但是对于平台之间量子相变的标度律的具体函数形式这样一个重要的物理内容却知之甚少。

中国科技大学中国科学院量子信息重点实验室的”量子输运和量子信息”研究小组郭国平、涂涛、赵勇杰、郝晓杰等人,与美国加州大学洛杉机分校物理系的 姜弘文教授(崔琦教授的学生)合作,制备了高质量的AlGaAs/GaAs的量子阱样品,并搭建了相应的低温强磁场下输运性质的测量平台,对量子霍尔效应 中平台与平台之间量子相变的标度律的具体函数形式做了仔细和深入的实验研究。他们发现二维电子气的纵向电阻率满足一个简单的指数函数,而且系统在平台相变 区域的很大一个磁场范围内都很好的满足这个简单的指数函数,这充分说明该函数形式的普遍适用性。同时他们指出,该函数形式与美籍华裔物理学家盛东宁(现在 美国加州州立大学)和翁征宇(现在清华大学高等研究中心)在美国<<物理评论快报>>上发表的理论预言的结果是完全一致的。

这一成果是首次由国内科学家完成的量子霍尔效应方面的物理实验工作(以前中国科学家在量子霍尔效应这样一个已经获得两次Nobel物理学奖的活跃的 研究领域完全没有涉足实验),同时对平台与平台之间量子相变这样一个重要问题有了新的发现和认识,为推动进一步的理论和实验工作奠定了必要基础。


这项工作得到了国家自然科学基金委员会、中国科学院知识创新工程和国家科技部973计划的资助。