三維量子霍爾效應是由復旦大學物理學系修發賢課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片中首次觀測到的。霍爾效應描述了當磁場載入到金屬和半導體上時，電力與磁力之間的一種相互關係。經實驗研究，該團隊發現了由三維“外爾軌道”形成的新型三維量子霍爾效應的直接證據，邁出了從量子霍爾效應從二維到三維的關鍵一步。
2019年5月9日，國際權威期刊《自然》發表了中國科學技術大學喬振華課題組與南方科技大學張立源課題組的研究成果：首次在毫米級的碲化鋯材料上觀測到三維量子霍爾效應。
基本介紹
- 中文名：三維量子霍爾效應
- 外文名：Three-dimensional quantum hall effect
- 提出者：修發賢課題組
- 套用學科：物理學
研究歷程,發現意義,
研究歷程
1879年，美國物理學家霍爾發現霍爾效應。他對通電的導體加上垂直於電流方向的磁場，電子的運動軌跡將發生偏轉，在導體的縱向方向產生電壓，這個電磁現象就是“霍爾效應”。如果將電子限制在二維平面內，在強大的磁場作用下，電子的運動可以在導體邊緣做一維運動，變得“講規則”“守秩序”。
1980年，德國科學家馮·克利青首次在二維體系里發現了量子霍爾效應，改變了傳統學界對物態和相變的理解，並把拓撲的概念引入到物理學研究里，量子霍爾效應也成了學術界的寵兒。
量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一，迄今已有四個諾貝爾獎與其直接相關。但一百多年來，科學家們對量子霍爾效應的研究仍停留於二維體系，從未涉足三維領域。
從2014年起，南方科技大學張立源團隊開始嘗試實驗研究該體系，希望在拓撲性質研究上有所斬獲，卻意外發現碲化鋯也是研究三維體系的理想材料。2017年初，從事相同方向理論研究的中國科學技術大學喬振華團隊與張立源團隊開始密切合作，測試分析了難以計數的來自國內外著名研究機構的樣品，終於在該三維巨觀材料上觀測到量子霍爾效應。基於三維拓撲半金屬材料Cd3As2，發現一種新型的量子霍爾效應，提出了三維量子霍爾效應的來源於三維“外爾軌道”的觀點。利用楔形Cd3As2納米片，發現樣品厚度對量子霍爾輸運產生極大的調製。朗道能級與磁場強度以及方向，以及樣品厚度的依賴關係，與理論預測符合。
台北時間2018年12月18日零點，復旦大學物理學系修發賢課題組關於三維量子霍爾效應的相關研究成果以《砷化鎘中基於外爾軌道的量子霍爾效應》（“Quantum Hall effect based on Weyl orbits inCd3As2”）為題線上發表於《自然》（Nature， DOI：10.1038/s41586-018-0798-3。）雜誌上。這是人類歷史上首次在一種材料中發現的三維量子霍爾效應。
2019年5月，中國科學技術大學喬振華課題組與南方科技大學張立源課題組等合作，首次在毫米級的碲化鋯材料上觀測到三維量子霍爾效應，2019年5月9日，該研究成果發表在國際權威期刊《自然》上，引發學術圈的極大關注。
發現意義
1879年發現的霍爾效應這一基礎理論對半導體行業意義深遠，因為它是二極體被發明出來的重要前提。
在毫米級的巨觀尺度上實現了三維量子霍爾效應，補全了霍爾效應家族一個重要的拼圖。喬振華認為：“豐富多彩的三維體系，將吸引眾多學者加入到新型的三維量子物態以及相變領域的研究之中，並為霍爾效應家族的發展提供一個全新的領域和視角。”三維量子霍爾效應的發現為進一步科研探索提供了一定的實驗基礎。
在套用方面這個材料體系具有非常高的遷移率，電子的傳輸和回響很快，可以在紅外探測、電子自旋方面做一些原型器件。是凝聚態物理領域重要的科學進展。
