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热学领域开年第一篇Nature——量子霍尔-热导

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来源:Nature

链接:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06858-z

0 背景介绍

量子霍尔效应(QHE)是物质拓扑状态的一种典型实现。它产生于拓扑结构、相互作用和无序之间微妙的相互作用。这种无序使得在体中形成局域态,使量子霍尔态相对于磁场和载流子密度稳定下来。然而,局部状态的细节及其对交通的贡献仍然超出了大多数实验技术的范围。


磁导轨迹是量子霍尔效应(QHE)最著名的特征。在朗道能级填充ν的整数QHE或简单分数QHE值下,电导率与经典预测不同。横向电导率呈平稳状态(作为磁场或载流子密度的函数),其量子化值为Gxy = νG0 ,而纵向电导率则消失,Gxx≈0。这一观察结果表明,大块是绝缘的,电流只能在样品边缘附近流动由于无序性,一旦磁场被调离高原中心,块体中的局部状态就会被填满或清空。这些局域态是稳定QHE态的关键因素,并且经典霍尔电导(即在Gxy中没有量子化平台)有望在完全清洁的样品中重新出现局域态对电输运的贡献可以忽略不计


热霍尔电导是QHE研究中具有重要意义的第二输运系数。与Gxy类似,QHE态的热霍尔电导也被量子化,κxyT= νQκ0T, νQ取决于拓扑秩序的性质。对于所有阿贝尔状态(整数和大多数分数填充分数),它被量化为整数,对于非阿贝尔状态,它被量化为分数。νQ的值是本体拓扑顺序的一个独特属性,它可以提供对底层基态的关键洞察。近年来,QHE中热输运的研究加快了,实验结果表明,双端热导系数κ2T可以量化。这些研究揭示了分数态QHE的本质,特别是奇异的ν = 5/2态。然而,κ2T对模间热平衡很敏感,可能是大量贡献。


1 成果掠影


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近期,以色列魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)Ron Aharon Melcer,Moty Heiblum等,在Nature上发文,描述了对块体热导的广泛研究。该文描述了一个广泛的研究体的热传导。在一种新颖“多端”短器件(在10µm尺度)上,从拓扑横向值2.png中,分离了纵向热导3.png,(由于块体的贡献),这主要是通过消除边缘模式的贡献。将纵向热导率(由于体的贡献)从拓扑横向值中分离出来。当磁场远离电导平台中心时,体中的局部态有效地传导热量,而体保持电绝缘。在第一激发态朗道能级上的分数态,如和,以有限的速度在整个高原上传导热量。我们提出了一个理论模型,确定局域状态作为有限热传导的原因,定性地与我们的实验结果一致。研究成果以“Heat conductance of the quantum Hall bulk”为题发表于《Nature》。


2 图文导读



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图1: 填充ν=2时,器件和纵向热导。


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图2: 在ν=2时,纵向热导系数的温度依赖性。


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图3: 用于计算块体热导的模型示意图。


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图4: 填充ν=7/3和ν=5/2时,块体热导。

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