我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)基于外爾軌道的三維量子霍爾效應(yīng)

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，但100多年來，科學(xué)家們對量子霍爾效應(yīng)的研究仍停留于二維體系。

為實現(xiàn)這一領(lǐng)域的突破，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢帶領(lǐng)其課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片中觀測到了由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應(yīng)的直接證據(jù)，邁出了從二維到三維的關(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《自然》主刊。

早在130多年前，美國物理學(xué)家霍爾就發(fā)現(xiàn)，對通電的導(dǎo)體加上垂直于電流方向的磁場，電子的運動軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)體的縱向方向產(chǎn)生電壓，這個電磁現(xiàn)象就是“霍爾效應(yīng)”。但以往的實驗證明，量子霍爾效應(yīng)只會在二維或者準二維體系中發(fā)生。三維體系中存在量子霍爾效應(yīng)嗎?如果有，電子的運動機制是什么?

為解答這一問題，修發(fā)賢團隊在一種特殊的材料體系中，也就是拓撲狄拉克半金屬砷化鎘材料里，觀測到三維量子霍爾效應(yīng)。該效應(yīng)與傳統(tǒng)的二維量子霍爾不同，存在特殊的電子軌道，稱為外爾軌道，電子可以從上表面穿越到下表面，然后再回到上表面。

修發(fā)賢表示，課題的難點在于材料的制備和器件的測量。首先對材料的要求非常高，必須能夠精確控制厚度，必須有很高的遷移率。課題組從2014年開始生長這個材料，目前可以達到厚度的可控性(50—100納米)，遷移率達到10萬。第二個難點在于，測量必須在極端條件下進行：低溫和強磁場。溫度在幾十毫K(也就是零下270多攝氏度)，強磁場在30多特斯拉(地磁場的百萬倍)。

“我們的這個研究屬于自由探索型的基礎(chǔ)研究，在凝聚態(tài)物理方面，我們發(fā)現(xiàn)了三維量子霍爾效應(yīng)，可以為今后的進一步科研探索提供一定的實驗基礎(chǔ)。”修發(fā)賢說。

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