凝聚態(tài)物理學(xué)是通過(guò)研究構(gòu)成凝聚態(tài)物質(zhì)(固體和液體)的電子、離子、原子及分子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和規(guī)律，從而認(rèn)識(shí)其物理性質(zhì)的學(xué)科。凝聚態(tài)物理學(xué)這一名稱(chēng)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，它是固體物理學(xué)的向外延拓。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，凝聚態(tài)物理學(xué)已成為物理學(xué)中最大也是最重要的分支學(xué)科之一，在半導(dǎo)體、超導(dǎo)、磁學(xué)等許多學(xué)科領(lǐng)域中取得的重大成就為發(fā)展新材料、新器件和新工藝提供了科學(xué)基礎(chǔ)，有些在當(dāng)代高新技術(shù)領(lǐng)域中已起到關(guān)鍵性作用。同時(shí)其不斷涌現(xiàn)出新的前沿研究熱點(diǎn)，如近年來(lái)廣受關(guān)注的拓?fù)洳牧吓c二維材料等。而凝聚態(tài)物理學(xué)研究中所使用的實(shí)驗(yàn)條件也從常規(guī)條件發(fā)展到極端條件以及多種極端條件相結(jié)合。

利用磁場(chǎng)來(lái)探索凝聚態(tài)系統(tǒng)電子結(jié)構(gòu)是當(dāng)前凝聚態(tài)物理學(xué)研究中的一種重要方法，通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)材料內(nèi)部電子的作用，可以幫助我們得到材料內(nèi)部的許多微觀信息。磁場(chǎng)越強(qiáng)，對(duì)電子的作用就越大，并且有些物理現(xiàn)象只發(fā)生在極高的磁場(chǎng)下，因此磁場(chǎng)越強(qiáng)能夠得到的信息也就越多。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置為凝聚態(tài)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)研究提供了最高達(dá)45.22特斯拉的極端穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境，同時(shí)可以結(jié)合超低溫與超高壓等極端實(shí)驗(yàn)條件，為相關(guān)方向的研究人員提供了一個(gè)獨(dú)特的極端條件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并已幫助眾多用戶(hù)取得了優(yōu)秀的科研成果。本文挑選了幾個(gè)具有代表性的成果來(lái)展示穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置在凝聚態(tài)物理學(xué)幾個(gè)方向上的重要應(yīng)用。

拓?fù)鋵W(xué)，是研究幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)的學(xué)科。它只考慮物體間的位置關(guān)系而不考慮它們的形狀和大小。有關(guān)拓?fù)鋵W(xué)的一個(gè)有趣示例就是一個(gè)帶手柄的杯子如何變成一個(gè)甜甜圈。如圖1所示，先將杯子的底部移動(dòng)到頂部，再將杯子向中間擠壓，最后拉伸一下手柄，這樣一個(gè)帶手柄的杯子就變成了一個(gè)甜甜圈。

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圖1杯子變甜甜圈示意圖

近年來(lái)的相關(guān)研究表明，可以將拓?fù)溥@一概念運(yùn)用到凝聚態(tài)物理體系上，某些材料的能帶具有拓?fù)湫再|(zhì)并可通過(guò)拓?fù)洳蛔兞窟M(jìn)行描述，這就是拓?fù)洳牧?，其電子等?zhǔn)粒子結(jié)構(gòu)具有拓?fù)涮匦?。拓?fù)洳牧象w系的研究范疇包括：固體材料中電子、聲子、磁振子以及等離激元等元激發(fā)譜的拓?fù)浞诸?lèi)研究；各種拓?fù)洳牧系牟牧仙L(zhǎng)、制備和物相表征；各種拓?fù)洳牧系耐負(fù)湮镄匝芯浚ㄗV學(xué)、輸運(yùn)、磁性、光學(xué)特性等。拓?fù)洳牧现饕譃橥負(fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘俚取Ｍ負(fù)浣^緣體是指其體態(tài)為有能隙的絕緣體，而邊界上具有導(dǎo)電通道的拓?fù)淠軒ЫY(jié)構(gòu)的材料。電子在邊緣態(tài)上傳輸時(shí)不會(huì)受到雜質(zhì)的散射，不會(huì)消耗能量，因此具有巨大的應(yīng)用潛力，有關(guān)拓?fù)浣^緣體的研究也是當(dāng)今凝聚態(tài)物理的熱點(diǎn)。我國(guó)科學(xué)家對(duì)拓?fù)浣^緣體的研究做出了巨大貢獻(xiàn)。2009年理論預(yù)測(cè)了Bi₂Se₃家族為拓?fù)浣^緣體，隨后又理論預(yù)測(cè)摻雜磁性原子Fe或Cr的Bi₂Se₃薄膜可以實(shí)現(xiàn)反常量子霍爾效應(yīng)，最終這些理論預(yù)測(cè)都得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

隨著拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)，材料的拓?fù)湫再|(zhì)和新穎的量子效應(yīng)在過(guò)去十年中引起了廣泛的關(guān)注。拓?fù)洳牧霞易逡褟淖畛醯耐負(fù)浣^緣體逐漸擴(kuò)展到狄拉克半金屬和外爾半金屬。狄拉克半金屬和外爾半金屬都屬于拓?fù)浒虢饘?，其典型特征為價(jià)帶和導(dǎo)帶接觸點(diǎn)的出現(xiàn)。到目前為止，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種類(lèi)型的拓?fù)浒虢饘?，其?lèi)型可以通過(guò)能帶接觸點(diǎn)的屬性加以區(qū)分，例如接觸點(diǎn)的簡(jiǎn)并度、接觸點(diǎn)是否連成封閉曲線以及價(jià)帶和導(dǎo)帶在能量上是否有能量交疊等。這些屬性的區(qū)分極大地?cái)U(kuò)展了拓?fù)浒虢饘偌易?。在?shí)驗(yàn)上證實(shí)了狄拉克半金屬和外爾半金屬的存在則將拓?fù)浒虢饘俚难芯抗ぷ魍频搅四蹜B(tài)物理的最前沿。而強(qiáng)磁場(chǎng)在相關(guān)研究中被廣泛應(yīng)用，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的用戶(hù)在相關(guān)工作中做出了許多重要的成果。

ZrTe₅是一種低對(duì)稱(chēng)性的準(zhǔn)二維(2D)層狀材料，但角度分辨光發(fā)射光譜(ARPES)和磁紅外光譜研究表明它是3D狄拉克半金屬的有前途的候選材料。研究人員在穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置高達(dá)31T的磁場(chǎng)下通過(guò)對(duì)角度依賴(lài)性磁阻進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了層狀材料ZrTe₅的3D狄拉克半金屬相的直接量子傳輸證據(jù)。研究人員觀察到明顯的量子振蕩現(xiàn)象，為證實(shí)ZrTe₅是3D狄拉克半金屬相提供了明確的證據(jù)。此外，在高磁場(chǎng)下觀察到明顯的朗道能級(jí)分裂(如圖2所示)，表明ZrTe₅材料中的狄拉克點(diǎn)可能分裂成外爾點(diǎn)。研究結(jié)果表明，ZrTe₅是研究層狀化合物中三維無(wú)質(zhì)量狄拉克和外爾費(fèi)米子的理想平臺(tái)。該項(xiàng)成果發(fā)表在Physical ReviewB雜志上。另外通過(guò)對(duì)在強(qiáng)磁場(chǎng)中高壓下ZrTe₅單晶的磁阻和SdH量子振蕩測(cè)量觀察到量子振蕩的突然相移，并從高度各向異性演變?yōu)閹缀醺飨蛲缘碾娮酉到y(tǒng)。通過(guò)高達(dá)33T的磁場(chǎng)中的熱電效應(yīng)測(cè)量，在量子極限以下觀察到了異常的能斯特效應(yīng)和熱電的準(zhǔn)線性場(chǎng)依賴(lài)性，這可能是由零級(jí)朗道能帶閉合導(dǎo)致的。這些成果都發(fā)表在了Physical Review Letter雜志上。

圖2? (a)在不同溫度下，磁阻R_xx與磁場(chǎng)B(高達(dá)31T)的關(guān)系圖；(b)不同溫度下的振蕩分量ΔR_xx與1/B的關(guān)系

TaAs是另一種典型的拓?fù)洳牧稀Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn)，壓力可以誘導(dǎo)TaAs產(chǎn)生新的拓?fù)湎?，并且這種新的壓力誘導(dǎo)相可以在降到常壓時(shí)保持穩(wěn)定。研究人員利用強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置研究了TaAs在高達(dá)33T的磁場(chǎng)中的電輸運(yùn)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)外爾電子被限制在最低的朗道能級(jí)時(shí)，霍爾信號(hào)和低溫下的縱向磁阻中會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的溫度依賴(lài)性異常[Phys. Rev. B 94,205120 (2016)]。依托于穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)裝置水冷磁體，研究人員在強(qiáng)磁場(chǎng)中測(cè)量了TaAs的磁化性質(zhì)，觀察到當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入量子極限時(shí)，TaAs具有準(zhǔn)線性磁場(chǎng)依賴(lài)的有效橫向磁化和非飽和縱向磁化行為，驗(yàn)證了TaAs是一種外爾半金屬拓?fù)洳牧?圖3)。該項(xiàng)成果發(fā)表于Nature Communications雜志上。通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)研究材料的量子振蕩也被廣泛用于研究其他拓?fù)洳牧?，如SrxBi₂Se₃，PdTe，TaSb₂，并已用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證PtBi₂，WC中的三重簡(jiǎn)并節(jié)點(diǎn)和具有巨大異?；魻栃?yīng)的磁性外爾半金屬Co₃Sn₂S₂。

圖3 (a)外爾半金屬能帶示意圖；(b) TaAs磁扭矩、橫向磁化率隨磁場(chǎng)的變化

1908年荷蘭低溫物理學(xué)家昂內(nèi)斯成功地液化了氦氣，而后于1911年發(fā)現(xiàn)某些金屬在液氦溫度下電阻會(huì)突然消失，即“超導(dǎo)電性”現(xiàn)象，昂內(nèi)斯也因此發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng)。

超導(dǎo)材料具有兩大顯著特性，零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng)。零電阻效應(yīng)是指材料在特定溫度下電阻突然消失，這一溫度叫做超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc，也叫臨界溫度。臨界溫度之上材料為正常態(tài)，臨界溫度之下材料為超導(dǎo)態(tài)。邁斯納效應(yīng)是指處在超導(dǎo)態(tài)的物體完全排斥磁場(chǎng)，即磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部。超導(dǎo)體可用來(lái)實(shí)現(xiàn)諸如無(wú)損耗輸電、穩(wěn)恒強(qiáng)磁場(chǎng)和高速磁懸浮車(chē)等。目前超導(dǎo)材料在醫(yī)療器械、國(guó)防軍事、電子通信、電力能源、交通運(yùn)輸?shù)缺姸囝I(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。

1957年巴丁，庫(kù)伯和施里弗合作發(fā)表了BCS理論對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象進(jìn)行了解釋并隨后獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。假設(shè)電子是有規(guī)律運(yùn)動(dòng)，原子核是周期性結(jié)構(gòu)，聲子也是有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的，這樣只需考慮一個(gè)原子核相鄰的兩個(gè)電子。庫(kù)伯證明了低溫下費(fèi)米球外一對(duì)自旋相反的電子存在相互吸引作用，可以束縛成對(duì)，叫做庫(kù)伯對(duì)，這種互相吸引是通過(guò)電子間交換虛聲子產(chǎn)生的。庫(kù)伯對(duì)的產(chǎn)生減小了電子基態(tài)的能量，使費(fèi)米能處的單個(gè)電子凝聚到一個(gè)能量低Δ的態(tài)中。Δ稱(chēng)為BCS能隙，至少需要2Δ的能量才能打破庫(kù)珀對(duì)，形成激發(fā)態(tài)。庫(kù)伯對(duì)是玻色子，在低溫下會(huì)出現(xiàn)玻色愛(ài)因斯坦凝聚，所有的庫(kù)伯對(duì)都被凝聚在了基態(tài)上，在電子輸運(yùn)時(shí)就不會(huì)被散射，宏觀上表現(xiàn)為零電阻效應(yīng)。

根據(jù)BCS理論解釋?zhuān)捎陔娐曌玉詈献饔玫南拗?，超?dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度一般低于40K，即麥克米蘭極限。但是隨著越來(lái)越多的超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度也在逐漸提高。一些不能被BCS理論所解釋的超導(dǎo)體被稱(chēng)為非常規(guī)超導(dǎo)體。氧化銅高溫超導(dǎo)體是最著名的非常規(guī)超導(dǎo)體，鐵基超導(dǎo)體作為第二個(gè)高溫超導(dǎo)家族也受到了廣泛的關(guān)注。高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制不同于傳統(tǒng)超導(dǎo)體，目前普遍認(rèn)為高溫超導(dǎo)體的庫(kù)伯對(duì)形成與磁相互作用以及自旋漲落有關(guān)。超導(dǎo)體的上臨界磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)著磁場(chǎng)破壞超導(dǎo)的兩種機(jī)制，一種是軌道拆對(duì)機(jī)制，另一種是泡利順磁極限機(jī)制。泡利順磁極限機(jī)制可以理解為外加磁場(chǎng)導(dǎo)致材料中電子的能帶根據(jù)自旋方向發(fā)生劈裂，系統(tǒng)能量降低，降低的能量尺度為塞曼能。當(dāng)塞曼能大于超導(dǎo)凝聚態(tài)能時(shí)，超導(dǎo)態(tài)被破壞。對(duì)于非常規(guī)超導(dǎo)體，可能存在遠(yuǎn)超于弱耦合泡利順磁極限1.86 T_c的較大的上臨界磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象可以在強(qiáng)磁場(chǎng)下得到證實(shí)。

如圖4所示，作為基本參數(shù)，上臨界場(chǎng)(H_c2)的溫度依賴(lài)性不僅對(duì)超導(dǎo)材料的應(yīng)用具有重要的意義，同時(shí)它也對(duì)材料的超導(dǎo)機(jī)理研究具有重要的意義，特別是在接近零溫時(shí)的行為，可以給出材料配對(duì)對(duì)稱(chēng)性與能隙結(jié)構(gòu)等方面的信息。而穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置所能提供的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境在新發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體(如Nb₂Pd_xS_5?δ²⁰和基于Cr的準(zhǔn)一維超導(dǎo)體等)的H_c2測(cè)定中起著重要作用。圖5顯示了RbCr₃As₃晶體的H_c2-T相圖?？梢钥闯?，H^//c_c2(0)和H^//ab_c2(0)均超過(guò)BCS弱耦合泡利極限(μ₀H_p)，表明此材料為非常規(guī)超導(dǎo)體，該項(xiàng)成果發(fā)表在Physical ReviewB雜志上。

圖4超導(dǎo)體的H_c2隨溫度的變化關(guān)系

圖5? RbCr₃As₃的H_c2-T相圖

對(duì)于一些傳統(tǒng)的超導(dǎo)體，當(dāng)它們被簡(jiǎn)化為二維(2D)時(shí)，它們也顯示出超過(guò)泡利極限的增強(qiáng)H_c2。研究人員采用超高真空分子束外延法制備了宏觀面積的單層NbSe₂薄片，利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置在強(qiáng)磁場(chǎng)和極低溫下的輸運(yùn)測(cè)量結(jié)果表明上臨界場(chǎng)是NbSe₂順磁極限場(chǎng)的5倍以上[Nano Letters17,6802 (2017)]。研究人員通過(guò)在硅襯底上的鉛條紋非公度相上用超高真空分子束外延技術(shù)成功制備出一種宏觀面積的、塞曼保護(hù)的新型二維超導(dǎo)體。圖6顯示了這種超薄單晶Pb薄膜在磁場(chǎng)高達(dá)35.5 T下的各種溫度下電阻的平行磁場(chǎng)依賴(lài)性。顯然，零溫度下的H_c2遠(yuǎn)高于泡利極限μ₀H_p= 14.7 T，這表明超薄Pb薄膜中具有塞曼保護(hù)的超導(dǎo)性。隨后研究人員對(duì)此進(jìn)行了理論計(jì)算，定量地解釋了塞曼保護(hù)超導(dǎo)電性的物理機(jī)制?；谖⒂^分析，發(fā)現(xiàn)塞曼型自旋軌道相互作用(SOI)在很大程度上增強(qiáng)了面內(nèi)臨界場(chǎng)。本工作揭示了界面調(diào)制SOI對(duì)外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的超導(dǎo)對(duì)具有深遠(yuǎn)的影響，可為研究非常規(guī)超導(dǎo)性提供有前途的平臺(tái)。預(yù)示出人們有望在二維超導(dǎo)體系中，通過(guò)界面調(diào)制發(fā)現(xiàn)新的非常規(guī)超導(dǎo)特性。這種宏觀尺度強(qiáng)自旋軌道耦合下的二維超導(dǎo)，也為拓?fù)涑瑢?dǎo)的探索提供了新的平臺(tái)，并為未來(lái)無(wú)耗散或低耗散量子器件的設(shè)計(jì)與集成奠定了基礎(chǔ)。該項(xiàng)成果發(fā)表在Physical ReviewX雜志上。

圖6??不同溫度下超薄單晶Pb薄膜在平行磁場(chǎng)下(最高場(chǎng)高達(dá)35.5 T)的電阻與磁場(chǎng)關(guān)系圖

極端條件下超導(dǎo)體的研究對(duì)于應(yīng)用和超導(dǎo)機(jī)理研究具有重要意義。即使對(duì)于一些傳統(tǒng)的超導(dǎo)體，它們?cè)跇O端條件下的性能仍然缺乏知識(shí)。NbTi合金是制造商用超導(dǎo)磁體的最重要材料之一，科研人員利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)其在強(qiáng)磁場(chǎng)和高壓下進(jìn)行了研究。圖7顯示了NbTi合金的壓力-磁場(chǎng)-T_C相圖。隨著壓力從0增加到261 GPa，T_C從9.6 K增加到19.1 K，H_c2在1.8 K時(shí)從15.4T增加到19T。值得注意的是，在如此超高壓下沒(méi)有結(jié)構(gòu)相變，盡管環(huán)境壓力體積縮小了45%。結(jié)果表明，NbTi合金的超導(dǎo)性在已知超導(dǎo)體中在壓力下是最穩(wěn)健的。此外，其高壓下的T_C和H_c2值在僅由過(guò)渡金屬元素組成的合金超導(dǎo)體中創(chuàng)下了新紀(jì)錄。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了NbTi合金非凡的高壓超導(dǎo)性能，而且有助于更好地理解超導(dǎo)機(jī)理。該項(xiàng)成果PhysicalReviewX雜志上。

?圖7? NbTi合金的壓力–磁場(chǎng)-T_C相圖

低維材料是指至少在一個(gè)維度上尺寸處于納米尺度的材料，主要包括零維、一維和二維結(jié)構(gòu)，以及以低維結(jié)構(gòu)為基本單元構(gòu)筑的復(fù)合結(jié)構(gòu)、組裝體和功能器件。二維材料，包括兩種材料的界面，或附著在基片上的薄膜，其中界面的深或膜層的厚度在納米量級(jí)。半導(dǎo)體量子阱是典型的二維材料。一維材料，或稱(chēng)量子線，線的粗細(xì)為納米量級(jí)。零維材料，或稱(chēng)量子點(diǎn)，它由少數(shù)原子或分子堆積而成，微粒的大小為納米量級(jí)。典型的零維材料是半導(dǎo)體和金屬的原子簇。

在低維體系中，維度的降低導(dǎo)致體系對(duì)載流子濃度、介電環(huán)境、壓強(qiáng)、應(yīng)力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等非常敏感。因此，我們可以在一個(gè)極其寬廣的多參數(shù)空間對(duì)其結(jié)構(gòu)和物性進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一系列新奇量子物態(tài)。低維材料具有極小的體積和大量的表面積，使得低維材料具有大量的表面活性位點(diǎn)，這種特性使其在催化，吸附和儲(chǔ)能等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。低維材料還具有獨(dú)特的光電學(xué)性質(zhì)，其電子結(jié)構(gòu)與三維材料中的電子結(jié)構(gòu)不同，電子由于被約束在一維或二維空間內(nèi)，其動(dòng)力學(xué)行為變得更加復(fù)雜，出現(xiàn)了一些奇特的電子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)，使得低維材料在光電器件和太陽(yáng)能電池領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展空間。低維材料體積小，可以更好地承受應(yīng)變，在外加應(yīng)力下，表現(xiàn)出了極高的應(yīng)變率，可應(yīng)用于電聲傳感器和光學(xué)器件領(lǐng)域。

目前，類(lèi)似石墨烯的低維材料正在被廣泛研究。隨著維數(shù)的減小，量子效應(yīng)增加。在三維(3D)材質(zhì)中可以忽略不計(jì)的界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和拓?fù)湫?yīng)將在低維材質(zhì)中顯現(xiàn)出來(lái)。因此，低維材料會(huì)表現(xiàn)出3D材料所沒(méi)有的新穎量子效應(yīng)。由于空間維數(shù)的減小，電子的電荷、自旋、軌道與晶格自由度之間的相關(guān)性和耦合性也會(huì)局部加強(qiáng)，從而使自旋量子態(tài)對(duì)磁場(chǎng)、電場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、光場(chǎng)和溫度的響應(yīng)更加顯著?？蒲腥藛T利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)低維材料進(jìn)行了許多研究。

研究人員利用聚合物轉(zhuǎn)移的方法，將石墨，氮化硼和黑磷的薄層依次疊加在襯底上形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，在穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置提供的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下首次觀察到了黑磷中的量子霍爾效應(yīng)，如圖8所示。整數(shù)量子霍爾效應(yīng)是指霍爾電阻并不隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大按線性關(guān)系變化，而是作臺(tái)階式的變化。這項(xiàng)研究為進(jìn)一步研究黑磷中的量子輸運(yùn)奠定了基礎(chǔ)。該項(xiàng)成果發(fā)表在Nature Nanotechnology雜志上。

?圖8??穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)下黑磷二維空穴氣體中的量子霍爾效應(yīng)

元素鉍是半金屬，由于其具有低的電子濃度、小的電子有效質(zhì)量和大的電子平均自由程，從而成為人們研究宏觀量子現(xiàn)象的典型材料而被長(zhǎng)期關(guān)注。而鉍納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)更加豐富，理解塊狀鉍中的奇異量子現(xiàn)象仍然存在爭(zhēng)議，并引起了人們的新興趣。問(wèn)題的焦點(diǎn)是這些量子特性是否就是體材料所具有的性質(zhì)，還是與Bi基拓?fù)浣^緣體有關(guān)的由于自旋-軌道相互作用所導(dǎo)致的表面效應(yīng)。近年來(lái)，鉍化合物被發(fā)現(xiàn)是拓?fù)浣^緣體，但對(duì)鉍單晶是否具有拓?fù)浣^緣體性質(zhì)還缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)。研究人員利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置在磁場(chǎng)高達(dá)31T下對(duì)不同厚度的單晶鉍納米帶進(jìn)行了角度依賴(lài)的磁阻(AMR)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)鉍納米帶具有二維的拓?fù)浔砻鎽B(tài)，且表面態(tài)與納米帶的厚度有關(guān)。如圖9所示。在厚度為40 nm的薄納米帶中觀察到二重對(duì)稱(chēng)的低場(chǎng)AMR譜和兩組量子振蕩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著樣品厚度的增加，低場(chǎng)AMR譜變?yōu)樗闹貙?duì)稱(chēng)，量子振蕩變?yōu)槿S體材料行為。這些結(jié)果表明納米帶具有二維金屬表面狀態(tài)和體絕緣的性質(zhì)。該研究成果發(fā)表在ACS Applied Nano Materials雜志上。

圖9? (a)納米帶的透射電子顯微鏡圖像(b)在0.4 K下樣品的電阻與磁場(chǎng)的關(guān)系

低維材料由于較大的表面體積比，表面狀態(tài)和拓?fù)湫?yīng)會(huì)變得更加明顯。量子霍爾效應(yīng)是凝聚態(tài)物理中研究最多的現(xiàn)象之一，并且與拓?fù)湎?、?qiáng)電子相關(guān)性和量子計(jì)算等研究領(lǐng)域相關(guān)，量子霍爾效應(yīng)是否可以在不簡(jiǎn)單堆疊二維系統(tǒng)的情況下擴(kuò)展到更高維度有待進(jìn)一步研究。依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，研究人員在Cd₃As₂納米材料上發(fā)現(xiàn)了新的量子霍爾效應(yīng)。Cd₃As₂是一種拓?fù)涞依税虢饘?。在表面主?dǎo)的Cd₃As₂納米片中，研究人員觀察到量子振蕩隨著磁場(chǎng)的增加而發(fā)展為具有非零縱向電阻的量子霍爾態(tài)。與傳統(tǒng)的二維系統(tǒng)不同，這種獨(dú)特的量子霍爾效應(yīng)可能與外爾軌道的量子化有關(guān)。然后，研究人員使用具有可變厚度的楔形Cd₃As₂納米結(jié)構(gòu)在強(qiáng)磁場(chǎng)下進(jìn)行了輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)。他們發(fā)現(xiàn)量子霍爾傳輸受到樣品厚度的強(qiáng)烈調(diào)制，如圖10所示。朗道能級(jí)對(duì)磁場(chǎng)大小和方向以及樣品厚度的依賴(lài)性與基于外爾軌道修正的Lifshitz-Onsager關(guān)系的理論預(yù)測(cè)一致。該項(xiàng)成果發(fā)表在Nature雜志上。

圖10? (a)外爾軌道在磁場(chǎng)B下的示意圖? ?(b)霍爾電阻R_xy與磁場(chǎng)的關(guān)系示意圖

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置是國(guó)家發(fā)改委支持的“十一五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，在建設(shè)和運(yùn)行中創(chuàng)造了多項(xiàng)世界紀(jì)錄并實(shí)現(xiàn)多個(gè)國(guó)際首創(chuàng)，為凝聚態(tài)物理、化學(xué)、材料、生物學(xué)和生命科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域開(kāi)展國(guó)際前沿探索、交叉前沿研究提供了重要的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。開(kāi)放運(yùn)行10多年以來(lái)，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置在凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域支撐了國(guó)內(nèi)外眾多用戶(hù)開(kāi)展了大量高水平、有特色的研究工作，產(chǎn)生了一大批具有國(guó)際影響力的科學(xué)成果。未來(lái)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置將繼續(xù)為我國(guó)搶占國(guó)際前沿科技高地提供平臺(tái)支撐。