拓扑狄拉克半金属中的量子霍尔效应

Topological Dirac semimetal is recently discovered to be a new kind of quantum state that provides a fertile ground for exploring abundant physical phenomena in condense matter physics. Theory predicts that in topological semimetals, due to the existence of Fermi arcs, electrons can complete a half cyclotron motion through the Fermi arc on a single surface and then tunnel to another surface through the Weyl point to finish the other half's cyclotron motion. Therefore, the upper and lower surface of the Fermi arcs can be coupled in a magnetic field to form a closed loop, so-called the Weyl orbit. Based on the recent discovery of quantum Hall effect, this project aims at the frontier challenges of topological Dirac semimetal field and explores the following two topics: 1) the study of the gate control and physical mechanism of Weyl orbits; 2) the relationship between the Weyl orbit and quantum Hall effect. Low-temperature transport experiments will be carried out to measure the angle-dependence, thickness-dependence and magnetic-field dependence of quantum oscillations, from which the physical principles of quantum Hall effect can be elucidated. Like the quantized anomalous effect in topological insulators, the introduction of the quantum Hall state into topological Dirac semimetals will have important physical implications and the study of chiral transport will provide experimental basis for future low-power-dissipation electronic devices.

拓扑狄拉克半金属是近年来发现的一类全新的量子态，蕴含了丰富而新奇的物理现象。理论表明, 在拓扑半金属中，由于费米弧的存在，电子可以在单个表面的费米弧上完成半个回旋运动，然后通过半金属中的外尔点，隧穿到另一个表面的费米弧，最终完成另一半回旋运动。因此，上下表面的费米弧能够在磁场下耦合起来形成闭合回路（即外尔轨道）。本项目瞄准拓扑狄拉克半金属领域的前沿问题，基于课题组在量子霍尔效应方面的成果，研究以下两个重要课题：1）拓扑狄拉克半金属中外尔轨道的栅极调控和物理机制研究；2）外尔轨道与量子霍尔效应的关系。申请人将通过低温输运实验，测量量子震荡的角度依赖关系、厚度依赖关系和磁场依赖关系，阐明狄拉克半金属中量子霍尔效应的原理。正如拓扑绝缘体中的反常量子霍尔效应一样，将量子霍尔态引入到拓扑半金属中将产生重要的物理意义，研究手性能级的无耗散输运将为未来低能耗电子器件提供实验基础。

近年来拓扑半金属态，作为一种全新的奇特拓扑量子态，成为凝聚态物理研究中的一个热点领域。不同于拓扑绝缘体，拓扑半金属具有很多普通金属和绝缘体材料所不具备的新奇量子现象，在电子输运方面有很高的研究价值。项目负责人在该项目的支持下，在砷化镉纳米片中发现了基于外尔轨道的三维量子霍尔效应，并在碲化银纳米片中实现了整数量子霍尔效应，在拓扑材料制备和量子化现象研究中取得了一定的进展： 1）利用高温生长的方法，大幅度提升砷化镉纳米片的迁移率（~10^5 cm^2/V s，2 K）,降低了本征掺杂浓度（<10^12 cm^(-2)）。在高磁场下，发现了基于外尔轨道的三维量子霍尔效应。并对外尔轨道的形成机制和物理特性等方面作了系统性的介绍，从三维量子霍尔效应和低散射几率特性两个方面深入研究了外尔轨道在材料电学行为中的影响。2）实现了高质量碲化银单晶纳米片的生长。对纳米片进行输运性质测试，本征载流子浓度在10^12 cm^(-2)量级，通过改变组分和栅极电压，有效调控载流子浓度和载流子类型，浓度载流子浓度在10^11 cm^(-2)至10^13 cm^(-2)量级，迁移率高达298600 cm^2/V s（2K）, 60000 cm^2/V s（300K）。基于碲化银的超高迁移率，在这个体系中实现了整数量子霍尔效应。在国际重要期刊Nature, Nature Materials, Nature Physics等发表10余篇论文（通讯作者）。在拓扑材料量子研究领域产生了一定的影响力。