PDF《分数量子霍尔效应 3》

知识和进展

3 1998 -

11 -

12 收到初稿 ,1998 -

12 -

02 修回 分数量子霍尔效应3 ― ― ―

1998 年诺贝尔物理学奖介绍 郑厚植(中国科学院半导体研究所 ,超晶格国家重点实验室 ,北京 100083) 摘要1998 年10 月 ,三位美国科学家 ,Daniel Tsui (崔琦 ,美籍华裔科学家) 、 Horst Stormer (美 籍德裔科学家) 和Robert Laughlin ,因他们在发现分数量子霍尔效应方面所作出的杰出贡献而获得诺贝 尔物理学奖.

文章力图从物理角度概要介绍分数量子霍尔效应的主要物理现象和机制. 关键词 分数量子霍尔效应 ,分数电荷 ,组合费米子 FRACTIONAL QUANTUM HALL EFFECT AND THE′

1998 NOBEL PRIZE IN PHYSICS Zheng Houzhi ( National L aboratory f or S uperlattices and Microstructures , Institute of Semiconductors , The Chinese Academy of Sciences , Beijing 100083) Abstract In October

1998 three American scientists ,Daniel Tsui ,Horst Stormer and Robert Laughlin ,won the Nobel prize in physics for their distinquished contribution on the discovery of the fractionl quantum Hall effect. A brief introduction to the physical phenomena and mechanism in2 volved in the fractional quantum Hall effect will be presented. Key words fractional quantum Hall effect ,fractional charge ,composite fermion

1 引言

1998 年10 月 ,瑞典皇家科学院宣布三位 美国科学家 ,Daniel Tsui (崔琦 ,美籍华裔科学 家) 、 Horst Stormer(美籍德裔科学家) 和Robert Laughlin, 因他们在发现分数量子霍尔效应 (fractional quantum Hall effect ,简称 FQHE) 方 面所作出的杰出贡献而获得

1998 年诺贝尔物 理学奖. 这使得分数量子霍尔效应成为继整数 量子霍尔效应 (integer quantum Hall effect ,简称IQHE , 德国科学家 Klaus von Klitzing 获1985 年诺贝尔物理学奖的工作) 以后二维电子 气物理(或者说低维半导体物理) 研究对当代凝 聚态物理发展作出的又一次重大贡献. 为了使 更广泛的读者(特别是青年读者) 对分数量子霍 尔效应有一概要的了解 ,本文力图从物理角度 来阐明分数量子霍尔效应的主要物理现象和机 制.

2 半导体异质结构 分数量子霍尔效应是二维电子体系在极低 温和强磁场条件呈现出来的、 独特的强关联属 性. 如果没有半导体异质结构所提供的近乎理 ・

1 3

1 ・

28 卷(1999 年)

3 期?1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 想的二维电子体系 ,要想观察和研究 FQHE 是 不可能的. 虽然二维电子系统有许多种 ,例如液 氦表面的二维电子气、 双晶中的二维电子气和 MOSFET(金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体 管) 中位于 Si - SiO2 界面反型层中的二维电子 气等. 但是 ,只有位于如图

1 所示的 GaAs/ Al2 GaAs 调制掺杂异质结界面的二维电子气是最 接近理想的二维电子系统. 图1(a) 非全耗尽情况下的 GaAs/ AlGaAs 异质结构的能带结 构;

(b) GaAlAs/ GaAs 异质结界面势阱的静电势能 V ( z ) 、 波函数和子带基态能 E0 ( z 是沿生长方向的坐标) GaAs ,Al GaAs 两种半导体材料导带底在 界面处的不连续性ΔEc 和Al GaAs 中调制掺杂 在界面附近产生的空间电荷效应 ,使临近界面 的GaAs 一侧形成了沿生长方向 ( z 方向) 的类 三角形势阱. 在极低温度下 ,界面势阱使电子失 去了沿 z 方向运动的自由度 ,被冻结在最低的 量子化子能级 E0 上 ,电子波函数被局域在界 面势阱的范围之内 ,如图