在本征三维拓扑绝缘体中观测到拓扑表面态量子霍尔效应
介观与纳米尺度物理
2015-01-06 v2 材料科学
摘要
三维（3D）拓扑绝缘体（TI）是一种量子物态，具有有能隙的绝缘体相，却有一个承载着受拓扑保护的无能隙表面态的导电表面。为这种拓扑表面态（TSS）预言的最独特的电子输运特征之一，是在磁场中具有明确的半整数量子霍尔效应（QHE），其中表面霍尔电导以 (1/2)e²/h（e 为电子电荷，h 为普朗克常数）为单位量子化，同时电阻消失。在此，我们在本征拓扑绝缘体 BiSbTeSe₂ 中观测到了由 TSS 产生的、发展良好的 QHE。我们的样品即使在接近室温时也表现出表面主导的导电性，而体电导可以忽略不计。在低温和垂直于顶面和底面的强磁场下，我们观测到了发展良好的整数量子化霍尔平台，其中两个平行表面各贡献一个半整数的 e²/h 量子化霍尔（QH）电导，并伴随纵向电阻消失。当底面通过栅极调节使其载流子密度与顶面匹配时，仅观测到奇整数量子霍尔平台，这代表了两个简并狄拉克气体的半整数量子霍尔效应。该系统为探索为 TI 预言的大量奇异物理和新型器件应用提供了一个极好的平台，其范围从磁单极子和 Majorana 粒子到无耗散电子学和容错量子计算机。
引用
@article{arxiv.1409.3778,
title = {Observation of topological surface state quantum Hall effect in an intrinsic three-dimensional topological insulator},
author = {Yang Xu and Ireneusz Miotkowski and Chang Liu and Jifa Tian and Hyoungdo Nam and Nasser Alidoust and Jiuning Hu and Chih-Kang Shih and M. Zahid Hasan and Yong P. Chen},
journal= {arXiv preprint arXiv:1409.3778},
year = {2015}
}
备注
23 pages, 14 figures, accepted by Nature Physics