关于自旋霍尔效应

量子自旋霍尔效应

“量子自旋霍尔效应”[1]找到了电子自转方向与电流方向之间的规律。利用这个规律可以使电子以新的姿势非常有序地“舞蹈”，从而使能量耗散很低。这种新奇的物理现象有可能给未来的信息革命带来重大影响，电脑甚至量子计算都将随之发生巨大改变。张首晟曾表示，“量子自旋霍尔效应”的理论研究以及产业化开发，对科学界和信息产业界来说，都将是一次大洗牌的机会。这一领域的突破所带来的历史机遇，对中国的基础研究和产业界的自主创新也都是十分难得的。希望国家有计划地大力投入，做好战略布局，瞄准这一理论预言展开更广泛的探索，加快研究步伐，抢占自主创新制高点。

霍尔效应(classical 霍尔效应)：以二维金属为例，我们在垂直方向加一个比较强的磁场，然后在二维金属里沿一个方向通直流电流，然后我们会在垂直于电流，磁场的方向获得一个电压，这个就是经典的霍尔效应，我们称这个电压为横向电压，区别于沿电流方向的电压，有这个横向电场和电流我们可以定义一个霍尔电导。这些都可以在经典电动力学（电磁学）的框架内解释。

Quantum Hall Effect:实验图像和经典的基本上一样，只是我们测到的霍尔电导是一个个分立的值，而不是连续的值，而且随外加磁场的变化呈现一种振荡的变化。这个就是量子霍尔效应。量子霍尔效应是体系态密度在磁场下量子化的结果，只能在量子力学的框架下解释。量子霍尔效应中对量子电导有贡献的是边界态，也就是说导电电子是在材料的边界上走的。

自旋量子霍尔效应：和霍尔效应一样，电子在边界上走。霍尔效应里电子在某一个边界上只沿一个方向走，但是在自旋量子霍尔效应中，每一个边界上有两条边界态构成的band，每有一个（k，+）态，那么有一个另一个band上对应的（-k,-）态，这儿后面的+,-代表自旋。因此电子有沿一个方向走的，也有沿反方向走的。它们数目相等，因此没有净电流，没有霍尔电导。但是这两种沿不同方向propagating的电子的自旋方向相反，因此有一个净的自旋流，而且类似于霍尔效应，这个自旋流的自旋conductance也是量子化的，因此称为自旋量子霍尔效

应。自旋量子霍尔效应实验中和量子霍尔效应很不一样的一点就是，没有外加磁场。如果有了外加磁场，体系的time reversal symmetry被破坏，这个时候自旋量子霍尔效应不在存在。

拓扑绝缘体：自旋量子霍尔效应体系是拓扑绝缘体中的一种。自旋量子霍尔效应中每个边界上有两个边界能带，这两个能带的chirality是一样的，因此会出现自旋量子霍尔效应，但是假设我们一个边界上有四个band,两个能带的chirality一样，但是另两个band的chirality不一样，那么此时沿边界上一个方向走的电子自旋可以为正，也可以为负，两者数目相等，相消。此时既没有电流，也没有自旋流。因此是另一种绝缘体。这两种绝缘体的不同是由于它们band的拓扑性质不同。我这里讲的是二维的情况。

当然有一点就是，自旋量子霍尔效应体系以及拓扑绝缘体都是bulk insulator,但是edge band穿过bulk band的gap.因此体是绝缘体，边界态是可以传导电子的。

霍尔效应，也就是平常霍尔效应，是在x方向存在电流和z方向存在外磁场的情况，在y方向产生横向电流。

量子霍尔效应，是在极低温和强磁场下，发生的霍尔效应。在y方向的电流（电导）是量子化的，可以通过Laudau规范理论进行定量分析。在二维体系中，边缘出现的霍尔电导将是由块体拓扑保护的，通过Chern数或绕数分析可以得到以e2/h为单位的量子霍尔电导。

自旋量子霍尔效应：不需要磁场，但材料需要有强的自旋轨道耦合，有强自旋轨道耦合将导致能带反转。在二维体系中，在表面边缘将出现自旋电流，上下自旋电流反向传播，因此不存在电荷电流。同时这种自旋电流是受时间反演对称性保护的，因此能避免非磁性杂质的散射作用。但磁性杂质将破坏时间反演对称性，因此也就破坏自旋电流对称性，将出现电荷电流。

拓扑绝缘体：是一种内部存在带隙的绝缘态，而表面（或边缘）存在无带隙金属态的具有强自旋轨道耦合的绝缘体（半导体）材料。表面态能带在Gamma点构成Dirac锥，导致电子为无质量的Dirac电子。并且表面态（边缘态）是由自旋轨道耦合导致的时间反演对称性保护的金属态，因此可以避免非磁性杂质散射。并

且任何块体的非拓扑形变都不会使表面态有重大改变。而在三维体系向二维体系过渡的过程中，由于上下表面金属态之间的隧道耦合，将打开一个随厚度振荡的带隙，从而使表面态遭到破坏。表面态向完全二维体系的边缘态演化，最终形成完全局域在表面边缘的边缘态。

什么是自旋霍尔效应

我最近在做自旋霍尔效应方面的研究。自旋霍尔效应是横向电场作用下产生纵向自旋流的效应，这个时候可以不伴随电荷霍尔效应的产生，实现无耗散过程，样品不发热。不过到底这种效应存不存在（特别对于本征的情况），现在看来还是未知数。话说回来，科学的进程中本来就没有一定的。自旋霍尔效应到最后很难说，但它确实是科学的一种尝试。

在置于磁场中的导体或半导体里通入电流，若电流与磁场垂直，则在电流与磁场

什么是霍尔效应

当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔电压）。

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。

霍尔效应在1879年被E.H. 霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的感应效果完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力，从而在导体

的两端产生电压差。虽然这个效应多年前就已经被大家知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并

不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开关传感器或者线性传感器。