劉俊明

為拓?fù)浣^緣體穿上紅磁疇

劉俊明

在中土大地，一些冷角通過各種炒作模式變成明星的戲碼經(jīng)常上演，倒了很多國人胃口。但是，也有一些灰姑娘通過自身魅力展示而成為耀眼明星的范例，這靠的是實(shí)力和蕙質(zhì)蘭心。物理學(xué)中屬于后者的實(shí)例正在開始多起來，比如“量子反常霍爾效應(yīng)”、比如“中微子”、比如“鐵基超導(dǎo)”、也比如最近的“味兒半金屬”。這是中國科學(xué)界甚至是百姓生活中不是很多見的正能量。在成為明星之前，大概鮮有雅賢明白啥是“量子反?；魻栃?yīng)”、啥是“中微子”，但薛其坤們讓前者如花似玉、王貽芳們讓后者芳草如茵。我們不過是凝聚態(tài)凡人，當(dāng)然更喜歡看如花似玉。

FIG.1 上：整數(shù)QHE，取自薛其坤的報(bào)告。下左：量子霍爾效應(yīng)的唯像解釋，下右：量子反?；魻栃?yīng)的圖像(http: //www.u-tokyo.ac.jp/content/400021206.jpg)。

要理解“量子反?；魻栃?yīng)(QAHE)”（俺念起來都拗口?。?，先看“量子霍爾效應(yīng)(QHE)”。所謂QHE主要是指在一個(gè)二維電子氣系統(tǒng)中，電子氣被限制在極薄準(zhǔn)二維層內(nèi)運(yùn)動(dòng)，電流為I。在垂直層面方向施加強(qiáng)磁場B，則層面與電流I相垂直的方向上出現(xiàn)電勢差VH（霍爾電壓），RH=VH/I為霍爾電阻。馮·克利青老先生37歲那年飛來橫運(yùn)，在4.2 K或更低溫度測量發(fā)現(xiàn)RH與B關(guān)系在總的直線趨勢上出現(xiàn)一系列平臺，平臺處的RH=h/me2，這里m是正整數(shù)，h為普朗克常數(shù)，e為電子電荷。此即整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，如圖1（上）所示?？淳齽e忘了這個(gè)25800 ?的電阻值，也就是世界杯對德國足球隊(duì)“歐巴靈靈、歐巴靈靈”的歡呼聲，與中土大地沒有什么關(guān)系。量子霍爾效應(yīng)是不是有應(yīng)用前景尚不是很明確，但其中的機(jī)制已經(jīng)昭然，其實(shí)質(zhì)是強(qiáng)磁場B迫使電子運(yùn)動(dòng)由直線變?yōu)榇怪贝艌龅膱A周運(yùn)動(dòng)。由此，電子結(jié)構(gòu)發(fā)生重構(gòu)，準(zhǔn)連續(xù)譜變?yōu)榉从硤A周運(yùn)動(dòng)的朗道能級，如圖1（下左）所示。當(dāng)然，隨后又發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，其機(jī)制包括了電子關(guān)聯(lián)行為，過于復(fù)雜，在此不論。

顯然，即便是從應(yīng)用角度，要施加一個(gè)很大磁場來觀賞如花似玉都是很費(fèi)力的，要知道產(chǎn)生磁場比產(chǎn)生電場難得多，更不要說磁場這個(gè)軸矢量很難handle到局域。因此，如果材料本身天生就有某種機(jī)制產(chǎn)生內(nèi)磁場，QHE也許就無需脂粉而天生麗質(zhì)了。事實(shí)上，這就是所謂的QAHE，如圖1（下右）：它不依賴于強(qiáng)磁場，而由材料本身的自發(fā)磁化（矩）M 來產(chǎn)生，在零磁場中就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，從而更易付諸實(shí)際應(yīng)用。薛其坤們在2013年首次觀測到這個(gè)效應(yīng)，如圖2（右）所示。從此，中土物理界也可以接受“歐巴靈靈、歐巴靈靈”的歡呼聲，將中土足球隊(duì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在后面。

我們看到，薛其坤等窮其精力獲得這個(gè)結(jié)果有兩大看點(diǎn)，亦或是兩大板塊。其一，實(shí)現(xiàn)QAHE的溫度太低了，一般人搞不定。其二，制備的材料必須是天之驕子、人中龍鳳，這一般物也做不到。這大概就是QAHE一直是灰姑娘的重要原因。所幸的是，拓?fù)浣^緣體呱呱墜地，其特殊的能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為材料表面帶來極其有利的量子輸運(yùn)特性。與一般二維電子氣系統(tǒng)相比，拓?fù)浔砻鎽B(tài)的特殊線性色散關(guān)系和拓?fù)浔Ｗo(hù)性使得磁場不再是產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)的必須。此時(shí)，如果能夠使其內(nèi)部具有一定的鐵磁性而又不破壞體帶隙和拓?fù)浔砻鎽B(tài)，那么QAHE搖曳登臺就萬事俱備。物理所方忠們跟張守晟合作，預(yù)言Cr(Fe)摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3等符合這些嚴(yán)苛條件，從而為薛其坤們在Cr摻雜的BixSb2?xTe3(BST)舞臺上推出如花似玉QAHE提供了精神支持。

FIG.2 左：幾種霍爾效應(yīng)的示意圖(http://aappsbulletin.org/img/201306/feature_01_a.jpg)。右：薛其坤等在Cr摻雜BixSb2?xTe3(BST)中看到的霍爾效應(yīng)，最外面那個(gè)曲線是高度就是“歐巴靈靈”。注意，這里的溫度是30 mK（媽呀），外加磁場0.12 T以上（對有些高密度應(yīng)用這個(gè)要求也不容易）。

需要指出的是，要獲得磁性離子摻雜的拓?fù)浣^緣體態(tài)可不是一件易事。任何一點(diǎn)晶體缺陷都可能讓一切脂粉散盡。所謂女為悅己者容，天之大任、為守而擇。薛其坤們主攻表面物理和薄膜外延生長多年，已經(jīng)有段譽(yù)恣意六脈之力和阿朱纖手易容之術(shù)。他能夠?qū)ST薄膜打扮得粉黛千層、金睛不辨，從而為體態(tài)絕緣而表面態(tài)拓?fù)涞於嘶A(chǔ)，如花似玉已無需洪荒之力、躍然臺上。

當(dāng)然，這是他話，事實(shí)上我們在這里贊揚(yáng)薛其坤們已經(jīng)太多了?！摹?/p>

好吧，這里有什么問題呢？有一點(diǎn)。我們說磁性離子摻雜導(dǎo)致BST中出現(xiàn)磁矩M，從而產(chǎn)生內(nèi)磁場，導(dǎo)致QAHE。但是，我們“看”到了薄膜內(nèi)的鐵磁性嗎，真真切切看到了嗎？看君知道，有很多證據(jù)都表明BST薄膜的確有磁性，但凝聚態(tài)磁學(xué)的玩家們會說：您給我磁疇看看？看到了磁疇，我就信了！這種頑固不化的理念總得克服，使得大家相信傾國傾城的的確是QAHE。最近，美國Rutgers大學(xué)的Weida Wu（吳偉達(dá)）教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)就部分摧毀了這種頑固不化。他們利用超低溫磁力顯微術(shù)MFM(magnetic force microscopy)在V摻雜的BST薄膜中實(shí)實(shí)在在“看”到了鐵磁疇，如圖3所示。

這是一個(gè)令人羨慕的結(jié)果。一者，有多少人有這個(gè)超低溫MFM？凝聚態(tài)物理進(jìn)入重武器時(shí)代，這是一個(gè)證據(jù)。二者，如此低溫下，與一般磁體比較，磁性拓?fù)浣^緣體中的磁行為極其酥軟，就像梅艷芳的“女人花”。三者，拓?fù)浣^緣體中的磁化竟然也是成核生長的模式，令人意外，也可見磁學(xué)的日久彌新不過是過眼煙云，亦或讓人感嘆“磁學(xué)之風(fēng)，山高水長”。

FIG.3 Weida Wu們在Sb1.89V0.11Te3中看到的鐵磁疇信號及其演化，溫度為5 K。取自npj Quant.Mater.,2016,1: 16023。

Weida Wu們將其結(jié)果以“Visualizing ferromagnetic domain behavior of magnetictopological insulator thin fi lms”(http://www.nature.com/articles/ npjquantmats201623)為題，撰寫華章呈現(xiàn)給我們?？淳绻信d致，可移步 Wenbo Wang等人2016年 10月 21日在《npj Quantum Materials》上發(fā)表的文章：http://www.nature.com/articles/ npjquantmats201623。

1000-0542(2017)03-0119-2

10.13725/j.cnki.pip.2017.03.003