我校张远波教授课题组实现黑磷的量子霍尔效应研究成果发表于《自然纳米技术》

近日，我校物理学系张远波教授课题组与科大陈仙辉等课题组合作在黑磷器件的质量上取得突破，并首次在高迁移率的黑磷器件中观测到了量子霍尔效应，相关学术论文“Quantum Hall Effect in Black Phosphorus Two-dimensional Electron System”在《自然•纳米技术》（Nature Nanotechnology）上发表。这一发现使黑磷成为了屈指可数的可用于研究量子输运现象的材料体系之一，为进一步研究黑磷中的新奇量子物理现象奠定了基础。复旦大学物理系博士生李力恺和杨昉原分别为论文第一和第二作者。

何为量子霍尔效应？

量子霍尔效应是现代凝聚态物理学的一个重要发现，最早在80年代被发现。在低温和强磁场下，二维电子气的电子结构呈现出一系列的分立能级，这被称作朗道能级；当费米面处在朗道能级中的间隙时，二维电子气的中间部分不再导电，而是在边缘形成量子化的一维导电通道。在这样的情况下，二维电子气的霍尔电阻不再随着磁场或载流子密度线性变化，而呈现出精确量子化的分立值，这即是量子霍尔效应。

量子霍尔效应的发现具有重大的意义：其本身精确量子化的霍尔电阻是物理学中的重要常数，是电阻的计量标准，并可以由它独立得到精细结构常数；量子霍尔效应为后续的一系列物理概念奠定了了基础，例如分数量子霍尔效应；更重要的是，不同材料中的量子霍尔效应都有其各自奇特的地方，往往带来新的物理发现。

难点：提高黑磷样品质量

实际实验中，量子霍尔效应的实现需要极高的样品质量，这使得量子霍尔效应只在少数的几种材料系统中被观测到。据李力恺介绍，黑磷是一种新兴的层状半导体材料，它的电子结构具有一系列的独特性质，例如带隙随可随样品层数变化，电子结构的各向异性，以及很大的电子有效质量等。这些性质使得黑磷二维电子气中的量子霍尔效应具有重要的研究价值。但实际中，受制于界面杂质及缺陷的影响，黑磷二维电子气的载流子迁移率远远低于晶体块材，这使得黑磷中的量子霍尔效应难以实现。

“如何提高黑磷样品表面质量是我们本次研究的难点之一，”李力恺解释说，在他们的研究中，利用有机薄膜转移的方法，将石墨，氮化硼和黑磷的薄层依次叠加在衬底上形成异质结结构，这一结构利用了石墨的导体性质，静电屏蔽了来自于衬底和界面上电荷杂质的散射作用，同时结合了石墨和氮化硼的层状性质，获得了原子级平整的样品界面，从而在黑磷二维电子气中实现了极高了载流子迁移率。

在这样的高质量二维电子气中，他们首次实现了黑磷中的量子霍尔效应。这一发现使黑磷成为了为数不多的可用于研究量子输运现象的体系。在此基础上，课题组进一步研究了黑磷中电子自旋劈裂能隙随温度以及磁场的变化，发现黑磷中电子自旋劈裂能量与朗道能级间隙相当，并且在较低的载流子密度下电子自旋劈裂能量被进一步增强。这一发现预示了黑磷当中具有很强的电子相互作用，为进一步研究黑磷中的新奇物理现象奠定了基础。

过程：“记不清多少次实验”

其实早从2011年开始，张远波课题组就开始对黑磷进行研究，一直在不断尝试各种方法提高黑磷样品界面的质量，并已经发表了两篇学术论文，这次的黑磷量子霍尔效应研究也是基于之前研究的成果进一步得出的。

“去年1月份，我们的主要数据是在美国强磁场国家实验室完成的，在那之前，我们需要在国内把所有的样品做好，我们花费了大量时间去想办法做出高质量的样品。” 据李力恺介绍，本次研究的参加者共有14名，研究历时1年左右。“在结果出来之前，我们都不知道会怎么样，”李力恺坦言，他们实验的目标是提高样品质量，但是在最终数据出来之前，他们在实验过程中并不知道采取的方法和手段能否真的提高样品的质量，其实是“摸着石头过河”。

同时，课题组还在努力进一步地提高黑磷样品质量，希望能对此项研究进行更深入的探索。