厉害！5年执着攻关创新，终首次实验验证三维量子霍尔效应
霍尔效应描述了当磁场加载到导体上时，带电粒子在电与磁的合力之下的运动规律。1879年发现的霍尔效应这一基础理论对半导体行业意义深远，因为它是二极管被发明出来的重要前提。1980年，德国科学家冯·克利青首次在二维体系里发现了量子霍尔效应，改变了传统学界对物态和相变的理解，并把拓扑的概念引入到物理学研究里，量子霍尔效应也成了学术界的宠儿。
能否在三维体系中也观测到量子霍尔效应呢？1987年，哈佛大学伯特兰•霍尔珀林教授从理论上预言了三维体系存在量子霍尔效应，并给出了它的测量特征。国际学界将这种现象称为“三维量子霍尔效应”。然而要观测到三维量子霍尔效应，必须把电子态调控到量子极限区域，这对测量磁场条件或材料体系的要求异常苛刻，几十年来，科学界一直未有确凿的观测证据。
中国科学技术大学乔振华课题组与南方科技大学张立源课题组等合作，经过5年多的努力，首次在毫米级的碲化锆材料上观测到三维量子霍尔效应，研究成果5月9日发表在国际权威期刊《自然》上，引发学术圈的极大关注。美国国家科学院院士文小刚高度评价这一成果： “这一新的实验发现，给了我们一个新的材料体系，其中也能产生拓扑序。”
图一：在绝缘堆叠的二维拓扑材料中，电子在每层的边界上如同小舟在水中，畅快前行；但是边界与边界之间，能隙的存在如磐石河岸，阻碍了电子在不同层之间的贯通。很多研究实现了让“小舟”可以在不同的“河流”中“快闪”，但是“河流”之间还是处于相互隔绝状态，只能算是二维量子效应的增强版，或者三维量子效应的预备版本。（美术：崔劼）
图二：该项研究发现由于电子相互作用导致的电荷密度波，使得电子小舟可以徜徉在宽广的能带大河之中，真正实现了三维量子霍尔效应。（美术：崔劼）
碲化锆是一种三维层状结构的新型材料，具有特殊的热电性质和反常的电阻对温度的依赖关系，在上世纪被广泛关注。近年来，全世界多个实验室各自制备该材料，并通过多种不同的手段进行探测，希望确定其物理特性。
图三：在碲化锆体系中观测到三维量子霍尔效应。（设计：王国燕、何聪）
从2014年起，南方科技大学张立源团队开始尝试实验研究该体系，希望在拓扑性质研究上有所斩获，却意外发现碲化锆也是研究三维体系的理想材料。2017年初，从事相同方向理论研究的中国科学技术大学乔振华团队与张立源团队开始密切合作，测试分析了难以计数的来自国内外著名研究机构的样品，终于在该三维宏观材料上观测到量子霍尔效应。
自1980年发现量子霍尔效应后，人们把注意力集中在二维体系里。这次在毫米级的宏观尺度上实现了三维量子霍尔效应，补全了霍尔效应家族一个重要的拼图。乔振华教授认为：“丰富多彩的三维体系，将吸引众多学者加入到新型的三维量子物态以及相变领域的研究之中，并为霍尔效应家族的发展提供一个全新的领域和视角。”
140年前的埃德温·霍尔无法回答经典霍尔效应能做什么。但今天，经典霍尔效应已经融入了我们日常生活中，广泛应用于汽车、家电、手机等行业。那么三维量子霍尔效应未来有什么样的应用，让我们拭目以待。
来源：中国科大新闻中心
文字：范琼
美术：崔劼
设计：王国燕、何聪
本期编辑：曾皓
推荐阅读
▶中国科大登央视《新闻联播》头条！基础研究、原始创新！中国经济不惧风浪！
▶优秀！全球32家“独角兽”AI创业公司，中国10家，其中“科大系”占近半壁江山
▶Science 重磅！刷新世界纪录，中国科大潘建伟等人制备出12个超导比特的量子多体纠缠态，同时观察到基本量子效应
▶2019年度泰晤士高等教育亚洲大学排名揭晓，中国科大再度名列大陆高校第三