CN103454602B - 一种基于拓扑绝缘体的磁场测量计及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于拓扑绝缘体的磁场测量计及其测量方法。本发明的磁场测量计包括：探头和分析器；其中，探头为平板状的拓扑绝缘体；分析器为磁阻信号分析器；磁场的方向垂直于拓扑绝缘体的表面；在拓扑绝缘体的表面设置有一对电流电极和一对磁阻电极，电流电极和磁阻电极在同一个方向上；磁阻电极与磁阻信号分析器相连接。拓扑绝缘体对温度不敏感，可在很大范围内使用。本发明极大地拓宽了传统的探头的磁场探测区间，并且在低温区仍工作良好，非常适合极端条件下的实验室研究，如医学中的核磁共振成像，军事中电磁脉冲弹效果的测量，以及航天中极低宇宙温度与等离子体风暴的强场等；同时结合霍尔效应，在传统领域的应用也游刃有余。
Description
技术领域
本发明涉及磁场测量技术，具体涉及一种基于拓扑绝缘体的磁场测量计及其测量方法。
背景技术
传统的磁场测量采用特斯拉计，基于霍尔效应进行测量，特斯拉计包括探头和仪表。但是传统探头一般采用半导体材料，线性区间较窄，只能工作于较小的温区与场强之中，而且受杂质影响较显著，所以在极端环境下的应用受限。然而随着研究与生产的深入，极端条件的磁测量成了必要的课题。
拓扑绝缘体是一种具有新奇量子特性的物质状态，为近几年来物理学的重要科学前沿之一。拓扑绝缘体是一种新的量子物态。传统上固体材料可以按照其导电性质分为绝缘体和导体，其中绝缘体材料在其费米能处存在着有限大小的能隙，因而几乎没有自由载流子；金属材料在费米能级处存在着有限的电子态密度，进而拥有自由载流子。而拓扑绝缘体是一类非常特殊的绝缘体，从理论上分析，这类材料体相的能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而在该类材料的表面则总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致其表面总是金属性的。拓扑绝缘体这一特殊的电子结构，是由其能带结构的特殊拓扑性质所决定的，这使得该领域研究成了当今凝聚态物理的焦点。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，基于当今研究的前沿发现，利用拓扑绝缘体独特的电磁性质，本发明提出了一种基于拓扑绝缘体的磁场测量计及其测量方法。
本发明的一个目的在于提供一种基于拓扑绝缘体的磁场测量计。
本发明的基于拓扑绝缘体的磁场测量计包括：探头和分析器；其中，探头为平板状的拓扑绝缘体；分析器为磁阻信号分析器；磁场的方向垂直于拓扑绝缘体的表面；在拓扑绝缘体的表面设置有一对电流电极和一对磁阻电极，电流电极和磁阻电极在同一个方向上；磁阻电极与磁阻信号分析器相连接。
拓扑绝缘体的体内存在价带与导带间的能隙，而在表面则有线性色散关系的狄拉克锥，与石墨烯不同，拓扑绝缘体的狄拉克锥是奇数个，这种表面态受时间反演对称性保护。由于时间反演对称性的保护，拓扑绝缘体的表面态可以非常强且稳定，在理想情况下，不受非磁性杂质，温度扰动等的影响，电子输运中背散射散射被抑制。由于表面的线性色散关系，根据阿布里科索夫模型，垂直于样品表面加磁场可以得到线性磁阻，在部分样品中还看到了线性巨磁阻，该特性与温度及面内磁场无关。二维拓扑绝缘体存在一个临界厚度，当样品厚度小于临界厚度时，样品为绝缘体；当厚度大于临界厚度时，样品出现量子相变转变为量子自旋霍尔绝缘体。
拓扑绝缘体的厚度在纳米尺度。拓扑绝缘体可采用分子束外延MBE、化学气相沉积CVD、混合物理化学气相沉积HPCVD和气液固生长法VLS等多种方法进行生长并控制其厚度。拓扑绝缘体为碲化汞HgTe、碲化铋Bi2Te3、硒化铋Bi2Se3、锑化铋BiSb、碲化银Ag2Te、硒化铋锗GeBiSe、窄带重元素半导体、拓扑绝缘体异质结、拓扑绝缘体超晶格结构、惠氏化合物、近藤拓扑绝缘体、有机拓扑绝缘体以及通过应力和掺杂导致拓扑相的物质中的一种或多种。
本发明的磁场测量计，探头采用拓扑绝缘体，磁场方向垂直于拓扑绝缘体，电流通过电流电极流过拓扑绝缘体，磁场垂直于电流和拓扑绝缘体。在研究中发现，拓扑绝缘体的异质结结构具有优良的磁阻性质，磁阻与磁场成线性关系，满足B=axxRxx+bxx，其中，B为磁场强度，Rxx为磁阻，axx和bxx为系数，通过线性拟合求得。因此，只要测量得到了磁阻，就能够得到磁场强度。恒流源通过电流电极流过拓扑绝缘体，与电流方向平行设置一对磁阻电极，通过引线将磁阻信号传输至磁阻信号分析器，测量磁阻电极两端的电压得到磁阻，从而得到磁场强度。
进一步研究发现，从小场到15T线性保持良好，把磁场作为磁阻的函数进行拟合，也得到非常线性的结果，在一般特斯拉计的工作范围（0～3T）外均能保持在1%的误差以内，0～3T中由于弱反局域化的作用略有偏离。
因此，本发明进一步包括一对霍尔电极及霍尔信号分析器，一对霍尔电极垂直于电流方向设置在拓扑绝缘体的表面，霍尔电极通过引线连接至霍尔信号分析器，将霍尔信号传输至霍尔信号分析器，从而测量拓扑绝缘体的霍尔效应引起的霍尔电压，通过霍尔电压得到磁场强度。测量拓扑绝缘体的霍尔效应，在0～3T的范围内恰好霍尔效应线性极佳，全程误差保持在0.1奥斯特左右，而大场下较磁阻线性度逊色。
进一步，本发明还包括筛选器，磁阻电极和霍尔电极分别通过引线连接至筛选器，将磁阻信号和霍尔信号分别传输至筛选器，筛选器分别连接至磁阻信号分析器和霍尔信号分析器；当信号大于或等于一定阈值时，筛选器将磁阻信号分析器导通，霍尔信号分析器截断，从而根据磁阻信号进行拟合得到磁场强度；当信号小于一定阈值时，筛选器将霍尔信号分析器导通，磁阻信号分析器截断，从而根据霍尔信号进行拟合得到磁场强度磁阻信号。本发明将传统的霍尔效应测量磁场强度与通过拓扑绝缘体的磁阻得到磁场强度结合在一起，利用拓扑绝缘体在0～3T的范围内恰好霍尔效应线性极佳，而在一般特斯拉计的工作范围（0～3T）外磁场与磁阻的线性能保持在1%的误差以内，从而测量范围更大，测量精度更高。
由于拓扑绝缘体对温度不敏感，所以略加温度修正就可以在很大范围内使用，同时磁阻信号与霍尔信号一样，都只对垂直表面的磁场响应。略微转动霍尔探头，找到最大的信号，此时磁场恰好垂直于拓扑绝缘体的表面。
本发明极大地拓宽了传统的探头的磁场探测区间，并且在低温区仍工作良好，非常适合极端条件下的实验室研究，如医学中的核磁共振成像，军事中电磁脉冲弹效果的测量，以及航天中极低宇宙温度与等离子体风暴的强场等。同时结合霍尔效应，在传统领域的应用也游刃有余。
本发明的另一个目的在于提供一种基于拓扑绝缘体的磁场测量计的测量方法。
本发明的基于拓扑绝缘体的磁场测量计的测量方法，包括以下步骤：
1）标定：在垂直于拓扑绝缘体的表面的方向施加已知磁场，在平行于拓扑绝缘体的表面施加电流，测量平行于电流方向的电压得到磁阻，测量垂直于电流方向的霍尔电压得到霍尔电阻，在阈值以上，对磁阻进行线性拟合，得到磁阻与磁场强度之间的线性关系B=axxRxx+bxx，在阈值以下，对霍尔电阻进行线性拟合，得到霍尔电阻与磁场强度之间的线性关系B=axyRxy+bxy，其中，B为磁场强度，Rxx为磁阻，axx和bxx为磁阻与磁场强度的线性系数，Rxy为霍尔电阻，axy和bxy为霍尔电阻与磁场强度的线性系数；
2）测量：在垂直于拓扑绝缘体表面的方向施加待测量的磁场，在平行于拓扑绝缘体的表面施加恒定的电流，测量平行于电流方向的电压得到磁阻信号，测量垂直于电流方向的霍尔电压得到霍尔信号；
3）计算得到磁场强度：磁阻信号和霍尔信号分别传输至筛选器，当信号大于或等于一定阈值时，筛选器将磁阻信号分析器导通，霍尔信号分析器截断，从而根据磁阻信号进行拟合得到磁场强度；当信号小于一定阈值时，筛选器将霍尔信号分析器导通，磁阻信号分析器截断，从而根据霍尔信号进行拟合得到磁场强度磁阻信号。
本发明的优点：
本发明的磁场测量计探头采用拓扑绝缘体，利用磁阻与磁场的线性关系，通过测量磁阻得到磁场强度。由于拓扑绝缘体对温度不敏感，可以在很大范围内使用，同时磁阻信号与霍尔信号一样，都只对垂直表面的磁场响应，这样就可以使用霍尔探头中寻找最大磁场方向的办法来进行测量。本发明极大地拓宽了传统的探头的磁场探测区间，并且在低温区仍工作良好，非常适合极端条件下的实验室研究，如医学中的核磁共振成像，军事中电磁脉冲弹效果的测量，以及航天中极低宇宙温度与等离子体风暴的强场等；同时结合霍尔效应，在传统领域的应用也游刃有余。
附图说明
图1为拓扑绝缘体的能带结构图，其中，（a）为二维拓扑绝缘体的能带结构图，（b）为三维拓扑绝缘体的能带结构图；
图2为本发明的基于拓扑绝缘体的磁场测量计的一个实施例的探头的引线连接的示意图；
图3为本发明的基于拓扑绝缘体的磁场测量计的一个实施例的信号连接的框图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
图1为拓扑绝缘体的能带结构图，其中，（a）为二维拓扑绝缘体的能带结构图，（b）为三维拓扑绝缘体的能带结构图。如图1所示，拓扑绝缘体的体内存在价带与导带间的能隙，而在表面则有线性色散关系的狄拉克锥，与石墨烯不同，拓扑绝缘体的狄拉克锥是奇数个，这种表面态受时间反演对称性保护。
如图2所示，本实施例的基于拓扑绝缘体的磁场测量计，拓扑绝缘体在xy平面，磁场沿z方向，在拓扑绝缘体的表面上设置一对电流电极A和D，电流I沿x方向，平行于电流方向设置一对磁阻电极B和C沿x方向，垂直于电流方向设置霍尔电极E和F沿y方向。恒流源I从电流电极A进入，从电流电极D流出，磁阻电极B和C测量电压VR得到磁阻，霍尔电极E和F测量霍尔电压Vh。
如图3所示，磁阻电极B和C与霍尔电极E和F分别通过引线连接至筛选器，将磁阻信号与霍尔信号分别传输至筛选器，筛选器分别与磁阻信号分析器和霍尔信号分析器相连接。当磁阻信号或霍尔信号大于或等于一定阈值时，筛选器将磁阻信号分析器导通，霍尔信号分析器截断，从而根据磁阻信号进行拟合得到磁场强度；当磁阻信号或霍尔信号小于一定阈值时，筛选器将霍尔信号分析器导通，磁阻信号分析器截断，从而根据霍尔信号进行拟合得到磁场强度磁阻信号。磁阻信号分析器和霍尔信号分析器分别连接至输出显示器，从而显示磁场强度的值。
本实施例的基于拓扑绝缘体的磁场测量计的测量方法，包括以下步骤：
1）标定：提供拓扑绝缘体，在垂直于拓扑绝缘体的表面的方向施加已知磁场，在平行于拓扑绝缘体的表面施加电流，测量平行于电流方向的电压得到磁阻，测量垂直于电流方向的霍尔电压得到霍尔电阻，在阈值以上，对磁阻进行线性拟合，得到磁阻与磁场强度之间的线性关系B=axxRxx+bxx，在阈值以下，对霍尔电阻进行线性拟合，得到霍尔电阻与磁场强度之间的线性关系B=axyRxy+bxy，其中，B为磁场强度，Rxx为磁阻，axx和bxx为磁阻与磁场强度的线性系数，Rxy为霍尔电阻，axy和bxy为霍尔电阻与磁场强度的线性系数；
2）测量：在垂直于拓扑绝缘体的表面的方向施加待测量的磁场，在平行于拓扑绝缘体的表面施加恒定的电流，测量平行于电流方向的电压得到磁阻信号，测量垂直于电流方向的霍尔电压得到霍尔信号；
3）计算得到磁场强度：磁阻信号和霍尔信号分别传输至筛选器，当信号大于或等于一定阈值（该阈值对应的磁场强度为3T）时，筛选器将磁阻信号分析器导通，霍尔信号分析器截断，从而根据磁阻信号进行拟合得到磁场强度；当信号小于一定阈值时，筛选器将霍尔信号分析器导通，磁阻信号分析器截断，从而根据霍尔信号进行拟合得到磁场强度磁阻信号，然后传输至输出显示器，显示出磁场强度。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种磁场测量计，所述磁场测量计包括：探头和分析器；其特征在于，所述探头为平板状的拓扑绝缘体；所述分析器为磁阻信号分析器；磁场的方向垂直于所述拓扑绝缘体的表面；在所述拓扑绝缘体的表面设置有一对电流电极和一对磁阻电极，电流电极和磁阻电极在同一个方向上；所述磁阻电极与磁阻信号分析器相连接。
2.如权利要求1所述的磁场测量计，其特征在于，所述拓扑绝缘体的厚度在纳米尺度。
3.如权利要求1所述的磁场测量计，其特征在于，进一步包括一对霍尔电极及霍尔信号分析器，一对霍尔电极垂直于电流方向设置在拓扑绝缘体的表面，霍尔电极与霍尔信号分析器相连接。
4.如权利要求3所述的磁场测量计，其特征在于，进一步包括筛选器，所述磁阻电极和霍尔电极分别通过引线连接至筛选器，将磁阻信号和霍尔信号分别传输至筛选器，筛选器分别连接至磁阻信号分析器和霍尔信号分析器。
5.如权利要求4所述的磁场测量计，其特征在于，进一步包括输出显示器，所述磁阻信号分析器和霍尔信号分析器分别连接至所述输出显示器。
6.如权利要求1所述的磁场测量计，其特征在于，所述拓扑绝缘体为碲化汞HgTe、碲化铋Bi2Te3、硒化铋Bi2Se3、锑化铋BiSb、碲化银Ag2Te、硒化铋锗GeBiSe、窄带重元素半导体、拓扑绝缘体异质结、拓扑绝缘体超晶格结构、惠氏化合物、近藤拓扑绝缘体、有机拓扑绝缘体以及通过应力和掺杂导致拓扑相的物质中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的磁场测量计，其特征在于，所述拓扑绝缘体采用分子束外延MBE、化学气相沉积CVD、混合物理化学气相沉积HPCVD和气液固生长法VLS中的一种或多种方法进行生长并控制其厚度
8.一种磁场测量计的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：
1)标定：提供拓扑绝缘体，在垂直于拓扑绝缘体的表面的方向施加已知磁场，在平行于拓扑绝缘体的表面施加电流，测量平行于电流方向的电压得到磁阻，测量垂直于电流方向的霍尔电压得到霍尔电阻，在阈值以上，对磁阻进行线性拟合，得到磁阻与磁场强度之间的线性关系B＝axxRxx+bxx，在阈值以下，对霍尔电阻进行线性拟合，得到霍尔电阻与磁场强度之间的线性关系B＝axyRxy+bxy，其中，B为磁场强度，Rxx为磁阻，axx和bxx为磁阻与磁场强度的线性系数，Rxy为霍尔电阻，axy和bxy为霍尔电阻与磁场强度的线性系数；
2)测量：在垂直于拓扑绝缘体表面的方向施加待测量的磁场，在平行于拓扑绝缘体的表面施加恒定的电流，测量平行于电流方向的电压得到磁阻信号，测量垂直于电流方向的 霍尔电压得到霍尔信号；
3)计算得到磁场强度：磁阻信号和霍尔信号分别传输至筛选器，当信号大于或等于一定阈值时，筛选器将磁阻信号分析器导通，霍尔信号分析器截断，从而根据磁阻信号进行拟合得到磁场强度；当信号小于一定阈值时，筛选器将霍尔信号分析器导通，磁阻信号分析器截断，从而根据霍尔信号进行拟合得到磁场强度；
所述磁场测量计包括：探头和分析器；所述探头为平板状的拓扑绝缘体；所述分析器为磁阻信号分析器；磁场的方向垂直于所述拓扑绝缘体的表面；在所述拓扑绝缘体的表面设置有一对电流电极和一对磁阻电极，电流电极和磁阻电极在同一个方向上；所述磁阻电极与磁阻信号分析器相连接；进一步包括一对霍尔电极及霍尔信号分析器，一对霍尔电极垂直于电流方向设置在拓扑绝缘体的表面，霍尔电极与霍尔信号分析器相连接；进一步包括筛选器，所述磁阻电极和霍尔电极分别通过引线连接至筛选器，将磁阻信号和霍尔信号分别传输至筛选器，筛选器分别连接至磁阻信号分析器和霍尔信号分析器。
9.如权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述拓扑绝缘体采用分子束外延MBE、化学气相沉积CVD、混合物理化学气相沉积HPCVD、气液固生长法VLS中的一种或多种方法进行生长并控制其厚度。
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