[发明专利]一种基于拓扑绝缘体的磁场测量计及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁场测量技术，具体涉及一种基于拓扑绝缘体的磁场测量计及其测量方法。

背景技术

传统的磁场测量采用特斯拉计，基于霍尔效应进行测量，特斯拉计包括探头和仪表。但是传统探头一般采用半导体材料，线性区间较窄，只能工作于较小的温区与场强之中，而且受杂质影响较显著，所以在极端环境下的应用受限。然而随着研究与生产的深入，极端条件的磁测量成了必要的课题。

拓扑绝缘体是一种具有新奇量子特性的物质状态，为近几年来物理学的重要科学前沿之一。拓扑绝缘体是一种新的量子物态。传统上固体材料可以按照其导电性质分为绝缘体和导体，其中绝缘体材料在其费米能处存在着有限大小的能隙，因而几乎没有自由载流子；金属材料在费米能级处存在着有限的电子态密度，进而拥有自由载流子。而拓扑绝缘体是一类非常特殊的绝缘体，从理论上分析，这类材料体相的能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而在该类材料的表面则总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致其表面总是金属性的。拓扑绝缘体这一特殊的电子结构，是由其能带结构的特殊拓扑性质所决定的，这使得该领域研究成了当今凝聚态物理的焦点。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，基于当今研究的前沿发现，利用拓扑绝缘体独特的电磁性质，本发明提出了一种基于拓扑绝缘体的磁场测量计及其测量方法。

本发明的一个目的在于提供一种基于拓扑绝缘体的磁场测量计。

本发明的基于拓扑绝缘体的磁场测量计包括：探头和分析器；其中，探头为平板状的拓扑绝缘体；分析器为磁阻信号分析器；磁场的方向垂直于拓扑绝缘体的表面；在拓扑绝缘体的表面设置有一对电流电极和一对磁阻电极，电流电极和磁阻电极在同一个方向上；磁阻电极与磁阻信号分析器相连接。

拓扑绝缘体的体内存在价带与导带间的能隙，而在表面则有线性色散关系的狄拉克锥，与石墨烯不同，拓扑绝缘体的狄拉克锥是奇数个，这种表面态受时间反演对称性保护。由于时间反演对称性的保护，拓扑绝缘体的表面态可以非常强且稳定，在理想情况下，不受非磁性杂质，温度扰动等的影响，电子输运中背散射散射被抑制。由于表面的线性色散关系，根据阿布里科索夫模型，垂直于样品表面加磁场可以得到线性磁阻，在部分样品中还看到了线性巨磁阻，该特性与温度及面内磁场无关。二维拓扑绝缘体存在一个临界厚度，当样品厚度小于临界厚度时，样品为绝缘体；当厚度大于临界厚度时，样品出现量子相变转变为量子自旋霍尔绝缘体。

拓扑绝缘体的厚度在纳米尺度。拓扑绝缘体可采用分子束外延MBE、化学气相沉积CVD、混合物理化学气相沉积HPCVD和气液固生长法VLS等多种方法进行生长并控制其厚度。拓扑绝缘体为碲化汞HgTe、碲化铋Bi₂Te₃、硒化铋Bi₂Se₃、锑化铋BiSb、碲化银Ag₂Te、硒化铋锗GeBiSe、窄带重元素半导体、拓扑绝缘体异质结、拓扑绝缘体超晶格结构、惠氏化合物、近藤拓扑绝缘体、有机拓扑绝缘体以及通过应力和掺杂导致拓扑相的物质中的一种或多种。

本发明的磁场测量计，探头采用拓扑绝缘体，磁场方向垂直于拓扑绝缘体，电流通过电流电极流过拓扑绝缘体，磁场垂直于电流和拓扑绝缘体。在研究中发现，拓扑绝缘体的异质结结构具有优良的磁阻性质，磁阻与磁场成线性关系，满足B=a_xxR_xx+b_xx，其中，B为磁场强度，R_xx为磁阻，a_xx和b_xx为系数，通过线性拟合求得。因此，只要测量得到了磁阻，就能够得到磁场强度。恒流源通过电流电极流过拓扑绝缘体，与电流方向平行设置一对磁阻电极，通过引线将磁阻信号传输至磁阻信号分析器，测量磁阻电极两端的电压得到磁阻，从而得到磁场强度。

进一步研究发现，从小场到15T线性保持良好，把磁场作为磁阻的函数进行拟合，也得到非常线性的结果，在一般特斯拉计的工作范围（0～3T）外均能保持在1%的误差以内，0～3T中由于弱反局域化的作用略有偏离。

因此，本发明进一步包括一对霍尔电极及霍尔信号分析器，一对霍尔电极垂直于电流方向设置在拓扑绝缘体的表面，霍尔电极通过引线连接至霍尔信号分析器，将霍尔信号传输至霍尔信号分析器，从而测量拓扑绝缘体的霍尔效应引起的霍尔电压，通过霍尔电压得到磁场强度。测量拓扑绝缘体的霍尔效应，在0～3T的范围内恰好霍尔效应线性极佳，全程误差保持在0.1奥斯特左右，而大场下较磁阻线性度逊色。