[发明专利]电学器件

说明书

技术领域

本发明属于凝聚态物理领域，涉及一种电学器件，尤其涉及一种能够获得较大的反常霍尔电阻的电学器件。

背景技术

霍尔效应(Hall effect, HE)是由美国物理学家霍尔(E. H. Hall)于1879年在研究金属的导电结构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。随后科学家们在磁性材料中发现了反常霍尔效应(anomalous Hall effect, AHE)以及在半导体中发现了自旋霍尔效应(spin Hall effect, SHE)。从理论上讲，这三种霍尔效应在一定的条件下应该存在其相应的量子化形式。1980 年，德国物理学家克利青(K. V. Klitzing)等在研究极低温度和强磁场中的半导体二维电子气的输运性质时发现了量子霍尔效应(quantum Hall effect, QHE)(Klitzing K. V. et al., New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance, Phys Rev Lett, 1980, 45:494-497)。之后，美籍华裔物理学家崔琦(D. C. Tsui)和美国物理学家施特默(H. L. Stormer)在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应(fractional quantum Hall effect, FQHE)(Tsui D. C. et al., Two-Dimensional Magnetotransport in the Extreme Quantum Limit. Phys Rev Lett, 1982, 48:1559-1562)。2006年，斯坦福大学美籍华裔理论物理学家张首晟教授的预测，在HgTe的量子阱中可以实现所谓的“量子自旋霍尔效应” (quantum spin Hall effect, QSHE) (Bernevig B. A. et al., Quantum spin Hall effect and topological phase transition in HgTe quantum wells, Science, 2006, 314:1757-1761.)。2007年量子自旋霍尔效应被证明确实存在(Konig M. et al. Qauntum spin Hall insulator state in HgTe quantum wells. Science, 2007, 318:766-770)。唯独量子化的反常霍尔效应(quantum anomalous Hall effect, QAHE)至今未在实验中观测到。QAHE就是零磁场下的量子霍尔效应，不需朗道能级就可以使霍尔电阻=h/e²=25.8千欧（h为普朗克常数，e为电子电荷），即量子电阻，可以摆脱量子霍尔效应对强磁场和样品高迁移率的要求，具有现实的应用意义。