量子霍尔效应-量子反常霍尔效应

量子霍尔效应是霍尔效应的量子化，它是由于高迁移率的二维电子气在低温强磁场条件下形成的朗道能级具有拓扑非平庸的特征。在铁磁性材料中，由于其内部的自发磁化会导致体系本身存在着时间反演对称性破缺，因而在没有外加磁场的情况下也可实现霍尔效应的量子化，这种由铁磁材料自发磁化而导致的量子霍尔效应被称为量子反常霍尔效应。量子反常霍尔效应最重要的表现是在边缘态处具有无耗散运动的手性电流，这种性质拥有可以改变未来量子电子学的潜力，极大推动器件小型化、低损耗、高速率发展。

图1. (a)拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应；(b)在拓扑绝缘体中引入磁性杂质，其中一套边缘态被破坏；(c)磁性掺杂的拓扑绝缘体系的量子反常霍尔效应.

在二维拓扑绝缘体中，由于受到拓扑保护，会存在一个螺旋的一维导电边缘态，当通电后在外加磁场的作用下，电子在边缘处的运动按照自旋分开，自旋向上与自旋向下的电子按照既定轨道行驶(如图1a)，形成量子自旋霍尔效应。磁性掺杂可以在体系内部形成自发磁化，这有可能破坏量子自旋霍尔体系的时间反演对称性，使其中的一套量子反常霍尔态被破坏掉，从而该体系就会呈现出量子反常霍尔效应的性质(如图1）。量子反常霍尔效应不依赖于朗道能级，理论上可以在比实现量子霍尔效应更高的温度下实现。在实验上实现量子反常霍尔效应的条件非常苛刻，需要存在磁性以产生反常霍尔效应，需要具备拓扑性能带结构以具有一维导电边缘态，同时，体态必须绝缘从而不具备导电性。

• 张颖, 胡国静, 向斌. 量子反常霍尔效应研究进展[J]. 低温物理学报, 2021, 43(2):20.
• 冯硝, 何珂, 王亚愚,等. 量子反常霍尔效应研究进展.