科学家提出一种获得超强磁场的新方法

 
 
科学家提出一种获得超强磁场的新方法  
 

近年来，各种原子级厚度的材料层出不穷，有半金属的石墨烯、绝缘的六角氮化硼，也有半导体的过渡金属硫族化合物。

把两个单层材料上下堆叠，层与层之间通过范德瓦尔斯力粘合在一起，就可以组成双层同质结或异质结。如果两层晶格的朝向有一个小的相对转角，就会出现层间原子堆垛的长程周期性变化，即莫尔（moiré）超晶格（见下图a）。在一个莫尔超原胞内部，层间原子堆垛方式呈现出的空间上的非均匀性（见下图b），导致位形空间贝里相位（Berry phase）的出现。

固体材料中，粒子的内禀结构随动量或位置的变化可产生贝里相位，从而影响材料的物理性质。一个典型的例子是，均匀晶体中的动量空间贝里相位可导致反常霍尔效应和自旋霍尔效应。而在位形空间非均匀的材料（如磁性斯格明子、磁畴结构）中，电子的行为会受到位形空间贝里相位的影响。

当准粒子在位形空间运动了一个闭合轨道时，贝里相位即为闭合轨道围成的贝里曲率通量，因此位形空间贝里曲率等效于一个磁场。准粒子经过空间上非均匀的区域时，即使没有外加磁场，也会受到贝里曲率施加的洛仑兹力作用，从而产生霍尔效应。

最近，香港大学和湖南师范大学的研究者（俞弘毅、陈明星和姚望教授）合作，在《国家科学评论》(National Science Review，NSR) 发表研究论文“Giant magnetic field from moiré induced Berry phase in homobilayer semiconductors”，文章指出，在过渡金属硫族化合物这类二维半导体的双层同质结莫尔超晶格中，层间原子堆垛方式随位置的变化带来了一个位形空间的贝里曲率，等效于一个在空间上周期变化的超强磁场（见上图a）。

每个莫尔超原胞中的磁通为量子化的2π，因此等效磁场的强度可通过改变超晶格周期来调节，在一个典型的10纳米周期下可达几百特斯拉。在低掺杂的情况下，同质结的物理性质由低能量的电子或空穴决定，它们在不同区域之间的跃迁会因等效磁场的影响而携带不同的相位，从而实现了一个可产生量子自旋霍尔效应的拓扑磁通超晶格。研究同时指出，施加一个垂直层面的电场可以连续调节等效磁场的空间分布，而超原胞中的磁通则是一个量子化的值，可在一个较小的临界电场下从2π跃变到0。