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摘要

三维拓扑绝缘体因其独特的物性备受研究人员关注, 而拓扑表面态的输运是探索其新奇物性的重要手段. 其中, 拓扑表面态的量子霍尔效应则是拓扑绝缘体输运研究的一个重要内容. 本文简要回顾了拓扑绝缘体中量子霍尔效应的实现与发展. 比较了拓扑表面态量子霍尔效应与其他体系的差别, 讨论了其材料体系的发展, 并介绍了其中的标度律行为. 之后详细回顾了实验上对拓扑表面态量子霍尔效应磁性近邻与栅压调控等方面的研究. 最后, 展望了拓扑绝缘体中量子霍尔态的研究前景, 希望能促进拓扑绝缘体的应用.

关键词:

Abstract

Three-dimensional topological insulators (TIs) with gapless topological surface states (TSSs) have attracted considerable attention because of their unique properties. The transport of TSS is an essential means to explore the novel properties. The quantum Hall effect (QHE) of TSS is an important content in the study of topological insulator, for it is an important characteristic of the pure TSS transport. This paper briefly reviews the recent research progress of QHE in TIs. Firstly, we introduce the fundamental concepts of the QHE in TIs. In a three-dimensional TI, each TSS contributes to a half-integer QHE. An integer QHE should be observed due to the existence of top and bottom surface in TI. Then, we review the realization and development of QHE. With the optimization of TI materials, the QHE of TSS is observed in bulk-insulating TIs. Next, the phase transition and scaling law behavior of QHE in TIs are discussed. The dominance of electron-electron interaction of the TSS is revealed by the anomalous critical exponent. Also, the experimental studies of the magnetic proximity and gate voltage modulation of the QHE are reviewed in detail. Finally, the perspectives of QHE in TIs are discussed.

Keywords:

作者及机构信息

张帅,
宋凤麒

通信作者:宋凤麒,songfengqi@nju.edu.cn

基金项目:国家重点基础研究发展计划(批准号: 2022YFA1402404)和国家自然科学基金(批准号: 92161201, T2221003, 12025404, 11904166)资助的课题.

Authors and contacts

Corresponding author:Song Feng-Qi,songfengqi@nju.edu.cn

Funds:Project supported by the National Key Research and Development Program of China (Grant No. 2022YFA1402404) and the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 92161201, T2221003, 12025404, 11904166).

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施引文献

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Method	Material		*T@B@v= 1	Thickness/nm	Reference
Exfoliated	五元Sn-(Bi, Sb)₂(Te, S)₃		2 K@ 8 T	3×10³	Ichimura等^[36]
	五元Sn-(Bi, Sb)₂(Te, S)₃		20 K@ 12 T	82	Xie等^[35]
	四元 (Bi, Sb)₂(Te, Se)₃		10 K@ 31 T	80	Xu等^[28]
MBE	三元	(Bi, Sb)₂Te₃	0.04 K@ 14 T	8	Yoshimi等^[29]
		Ca-Bi₂Se₃	0.3 K@ 25 T	8	Moon等^[32]
		Ti-Sb₂Te₃	0.35 K@30 T	10	Salehi等^[43]
	二元 Bi₂Se₃		20 K@35 T	8	Koirala等^[33]
注: “*”表示报道的观测到ν= 1量子霍尔平台(且要求此时R_xx< 0.04h/e²)对应的最高温度和对应该温度的最低磁场大小.

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