新型二维电子体系在强磁场中的量子输运研究

The search for new materials has always been at the forefront of condensed matter research. In recent years, two-dimensional (2D) materials has been a focus of condensed matter research due to their unique properties. These 2D materials beyond graphene range from semiconductors to magnetic and highly correlated systems, and are rich in physics. High magnetic field has played an indispensable role in the search for novel physics in these 2D materials, and the research in this direction is still in its infancy. We plan to develop new experimental techniques to fabricate high quality devices based on black phosphorus, 2D Transition metal dichalcogenides (TMDCs), and 2D magnetic and correlated electron systems, and to probe the quantum transport in these 2D systems under high magnetic fields. We will focus on the electron-electron interaction in these 2D electron systems and novel quantum states that are derived from such interactions. We will also study the possibility of entanglement between the new quantum states, in the hope of providing valuable insight for constructing novel quantum devices.

新材料的探索始终是凝聚态物理的一个前沿。近年来二维材料凭借其独特的材料物性成为凝聚态物理领域一个关注的焦点。这些石墨烯之外的二维材料包含了从半导体到磁性和强关联体系的一系列材料体系，其中蕴含着丰富的物理。强磁场在对这些二维材料中新物理的探索中起着不可或缺的作用，而相关的研究才刚刚起步。在本项目中，我们计划发展新的微纳加工工艺制备高质量样品，利用强磁场中的量子输运测量作为手段，研究黑磷、二维硫族化合物以及磁性和强关联二维电子体系中的量子物性。我们将重点关注这些二维电子体系中电子-电子相互作用引致的新奇量子态，以及这些新的量子态在超强磁场中的量子输运现象。我们还将研究这些新的量子态纠缠的可能性，以期对新型量子器件的构建提供有益的线索。

本项目针对二维材料领域的前沿和难点，对黑磷、二维硫族化合物以及磁性和强关联二维材料等电子体系进行深入研究，并充分利用强磁场下量子输运测量手段，取得了一系列重要成果。成果包括：（1）发展新的微纳加工工艺，大幅提高基于黑磷二维电子气的迁移率，首次在黑磷二维电子气中观测到了量子霍尔效应；（2）发展新的二维材料解理手段，制备出高质量薄层MnBi2Te4, 首次这个在本征磁性拓扑绝缘体中观测到量子反常霍尔效应，并在此材料中发现了周期的平面霍尔效应；（3）利用新的二维材料解理手段得到了二维磁性金属Fe3GeTe2，并在此二维材料中实现了可调的室温铁磁性；（4）成功在33T强磁场下实现了对单晶ZrTe5样品的热电效应测量，发现了强磁场下ZrTe5反常的热电效应；（5）制备了高质量的具有三角格子特征的层状PtBi2单晶样品，利用强磁场下的量子输运测量PtBi2是新一类三重简并拓扑半金属。本项目发表论文共28篇，申请专利4项，培养博士10人，博士后7人，圆满完成了各项研究任务。