中国科学家首次实验验证三维量子霍尔效应金祥

作者:生命科学
《自然》:中国科大首次观测到三维量子霍尔效应

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中安在线、中安新闻客户端讯 5月14日,记者从中国科学技术大学获悉,该校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。

量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一,但100多年来,科学家们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系。

从八十年代初在二维电子体系中发现至今,量子霍尔效应作为超导之外的另一个著名宏观量子现象在凝聚态物理中催生出了一个越趋活跃的研究领域。其内在本质,是将数学中的拓扑概念引入物理,超越了Landau根据对称性破缺理论对物质分类的传统标准,为近年的拓扑物态与拓扑材料的快速发展奠定了基础。

在国家自然科学基金项目(批准号:11874193,11474265)等资助下,南方科技大学物理系张立源研究组、中国科学技术大学物理学院乔振华研究组与新加坡科技设计大学杨声远教授、美国佛罗里达州立大学杨昆教授、麻省理工学院Patrick A. Lee教授和布鲁海文国家实验室Genda Gu教授合作在量子霍尔效应研究领域取得重要进展,在五碲化锆块体单晶材料中首次观测到三维量子霍尔效应。该成果以“Three-dimensional Quantum Hall Effect and Metal–insulator Transition in ZrTe5”(五碲化锆中的三维量子霍尔效应和金属绝缘体相变)为题,于5月8日在线发表在Nature上,文章链接:

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。据悉,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。

为实现这一领域的突破,复旦大学物理学系修发贤带领其课题组在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了从二维到三维的关键一步。相关研究成果于北京时间12月18日零时在线发表于《自然》主刊。

量子霍尔效应是否只存在于二维体系?这个基础问题从二维量子霍尔效应发现后不久即引起领域的关注。早在1987年,Bertrand Halperin从理论上就预言了三维量子霍尔效应的存在和它的测量特征。但要验证这个新奇效应,对材料体系与测量手段的要求都非常高;尽管已有诸多尝试,实验上仍缺乏可信的观测证据。

上世纪八十年代,德国科学家冯·克利青在二维体系中实验发现了量子霍尔效应, 开启了凝聚态物理学中研究拓扑物理的新时代,也深刻地改变了人们对相变和物态分类的理解。特别是最近十多年来,拓扑量子物态和拓扑量子材料的研究已经成为当前凝聚态物理最活跃的研究领域之一。把量子霍尔效应从二维拓展到三维体系,这项研究在二维量子霍尔效应实验发现后不久便引起关注。哈佛大学著名物理学家Bertrand Halperin教授1987年在理论上预言了三维量子霍尔效应的可能存在方式和具体特征。然而,该项实验对测量条件和材料品质的要求异常苛刻,科研人员进行了诸多尝试,但实验上未获得确信的直接观测证据。

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。

早在130多年前,美国物理学家霍尔就发现,对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场,电子的运动轨迹将发生偏转,在导体的纵向方向产生电压,这个电磁现象就是“霍尔效应”。但以往的实验证明,量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。三维体系中存在量子霍尔效应吗?如果有,电子的运动机制是什么?

合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系的乔振华教授与南方科技大学张立源教授、新加坡科技设计大学杨声远教授、美国佛罗里达州立大学的杨昆教授、麻省理工学院的Patrick A. Lee教授和布鲁海文国家实验室的Genda Gu教授等理论与实验合作,在碲化锆块体单晶体材料中首次观测到三维量子霍尔效应的明确证据,并指出该效应可能是由于磁场下相互作用产生的电荷密度波诱导的。这一重要研究成果5月9日在线发表在国际权威学术期刊《自然》上。

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为解答这一问题,修发贤团队在一种特殊的材料体系中,也就是拓扑狄拉克半金属砷化镉材料里,观测到三维量子霍尔效应。该效应与传统的二维量子霍尔不同,存在特殊的电子轨道,称为外尔轨道,电子可以从上表面穿越到下表面,然后再回到上表面。

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