量子霍爾效應(yīng)是20世紀以來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。然而，一百多年來，科學(xué)家對量子霍爾效應(yīng)的研究仍然停留在二維體系中。

為了實現(xiàn)這一領(lǐng)域的突破，復(fù)旦大學(xué)物理系修發(fā)賢帶領(lǐng)研究團隊觀察到了拓撲半金屬砷化鎘納米片中外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應(yīng)的直接證據(jù)。向前一步。從二維到三維的關(guān)鍵一步。相關(guān)研究成果于北京時間12月18日零時在線發(fā)表于主刊《自然》。

早在130多年前，美國物理學(xué)家霍爾就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對通電導(dǎo)體施加垂直于電流方向的磁場時，電子的軌跡會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)體的縱向產(chǎn)生電壓。導(dǎo)體。這種電磁現(xiàn)象就是霍爾現(xiàn)象。影響。但此前的實驗已經(jīng)證明，量子霍爾效應(yīng)只發(fā)生在二維或準二維系統(tǒng)中。三維系統(tǒng)中是否存在量子霍爾效應(yīng)？如果是的話，電子的運動機制是什么？

為了回答這個問題，修發(fā)賢團隊在一種特殊的材料體系——拓撲狄拉克半金屬砷化鎘材料中觀察到了三維量子霍爾效應(yīng)。這種效應(yīng)與傳統(tǒng)的二維量子霍爾的不同之處在于，存在特殊的電子軌道，稱為外爾軌道，電子可以從上表面行進到下表面，然后返回上表面。

修法憲表示，該項目的難點在于材料的準備和器件的測量。首先，對材質(zhì)的要求非常高。它必須能夠精確控制厚度并且必須具有高流動性。研究團隊于2014年開始生長這種材料，目前可以實現(xiàn)厚度可控（50-100納米）和10萬的遷移率。第二個困難是測量必須在極端條件下進行：低溫和強磁場。溫度為數(shù)十毫凱爾（即負270攝氏度以上），強磁場超過30特斯拉（地球磁場的一百萬倍）。

我們的研究是自由探索型的基礎(chǔ)研究。在凝聚態(tài)物理中，我們發(fā)現(xiàn)了三維量子霍爾效應(yīng)，可以為今后進一步的科學(xué)研究和探索提供一定的實驗基礎(chǔ)。修法顯說道。 （記者王春）