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量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应的初步分析
发布时间:2019-07-08
 

上个世纪80年代,英国和德国研究人员发现了量子霍尔效应(Quantum Hall Effect)。那么什么是量子霍尔效应呢?

19世纪70年代科学家霍尔解释了一种磁场和感应电压之间的关系:当电流通过处于磁场中导体的时候,磁场会对导体中的电子产生横向作用力,从而在导体的两端生成电压差;而量子霍尔效应是结合量子力学分析观测得到的霍尔效应(在低温强磁场极端条件下能被观察到,该条件下霍尔电阻与磁场不再呈现线性关系)。

量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应的初步分析

量子霍尔效应和量子自旋霍尔效应的初步分析

上个世纪有理论学家预言:拥有正常电子结构的材料能与电场发生作用并出现量子自旋霍尔效应。那就是指,一种具有旋转驱动且几乎没有能量损失的导电性能被获得。

2017年研究人员指出:量子自旋霍尔效应的发现推进了凝聚态物理学的发展,该效应是一种依赖电子自旋且具有量子行为的输运效应。前期大量的理论和实验研究证明,实际上反映电磁场基本规律的麦克斯韦方程组内含了光的量子自旋霍尔效应,主要体现在界面的倏逝波表现出强烈的自旋与动量关联性。同时得益于新兴光学材料—超构材料的发展(不仅能够任意设定光学参数,同时也能引入很多复杂自旋轨道耦合机理),量子自旋霍尔效应也进一步引起了人们的关注。

同时,有研究人员也强调:一种大家所熟知的界面传播模式是表面等离子体激元的传播模式,相比真空中传播的光,该传播模式是基于横截面处为倏逝场的表面模实现的。研究发现横向倏逝波传播模式具有额外的自旋动量,而且该动量正交于传播波矢,该类额外的自旋动量来源于不同自旋拓扑介质在界面处的拓扑相变,该相变会引起光量子自旋霍尔效应。

在传统光学材料中,自旋与轨道耦合的作用微弱,难以观测。如何加强光与物质之间的相互作用一直是难点和热点研究问题,但随着超构材料的发展,该问题得到了解决,因为超构材料由亚波长尺度的微结构单元组成,对于电磁波有较强的局域响应,能够极大増强光与物质之间的相互作用。特别值得注意的是,我们利用常规自然材料所不具备的光学性能有望制备各种具有奇异功能的光子器件,如超棱镜以及隐身衣服等,神奇吧~

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