我國科學家首次在三維空間中發現量(liang)子霍爾效應 這一發(fa)現為未(wei)來(lai)三維空間量子(zi)化傳輸提供了新的思路和實驗基(ji)礎

“你說這么(me)薄算二維嗎(ma)？”復(fu)旦大學(xue)物理學(xue)系教(jiao)授修發賢拿(na)起(qi)一張A4紙：“這個(ge)厚度最(zui)起碼(ma)已(yi)經到幾(ji)十微(wei)米(mi)了，但真正的二維是幾(ji)個(ge)原子層厚，僅有幾(ji)納(na)米(mi)，是紙張厚度的萬分(fen)之一。”

量子霍爾(er)效(xiao)應是(shi)20世紀以來凝聚態物(wu)理領域最重要的科學發現(xian)之一，迄今已有4個諾貝爾獎與其直接相關(guan)。但100多年來，科(ke)學家們對(dui)量子霍爾效應的研究(jiu)仍停(ting)留于二維(wei)體系，從未涉足三(san)維(wei)領域。

修發賢課題組近日在該領域實現突破(po)，在拓撲半(ban)金屬(shu)砷(shen)化鎘納米片中觀(guan)測到了(le)由(you)外爾軌(gui)道形(xing)成(cheng)的(de)(de)新型三維量(liang)子霍爾效應的(de)(de)直接證據，邁出了(le)從(cong)二維到三維的(de)(de)關鍵一步。

12月18日，相關研究成果在線發表于(yu)《自(zi)然(ran)》。

給電(dian)子(zi)“定規矩”

三維(wei)量子霍(huo)爾效應真的存在嗎

早在130多年(nian)前，美國(guo)物理學(xue)家霍(huo)爾就(jiu)發現(xian)，對通(tong)電(dian)(dian)的(de)導體(ti)(ti)加上垂(chui)直于電(dian)(dian)流(liu)方向(xiang)的(de)磁(ci)場，電(dian)(dian)子的(de)運(yun)動軌(gui)跡將發生偏(pian)轉(zhuan)，在(zai)導體(ti)(ti)的(de)縱向(xiang)方向(xiang)產(chan)生電(dian)(dian)壓，這個電(dian)(dian)磁(ci)現(xian)象就(jiu)是(shi)“霍(huo)爾效應(ying)”。如果將電(dian)(dian)子限制在(zai)二(er)維平面內(nei)，在(zai)強大的(de)磁(ci)場作用下，電(dian)(dian)子的(de)運(yun)動可以在(zai)導體(ti)(ti)邊緣(yuan)做一維運(yun)動，變得“講規則”“守秩序”。

但以(yi)往的(de)實驗(yan)證明(ming)，量子霍爾效應(ying)只會在二維或(huo)者準(zhun)二維體(ti)系中(zhong)發生。“比(bi)如(ru)說這間屋子，除了(le)上(shang)表(biao)面、下(xia)(xia)表(biao)面，中(zhong)間還(huan)存在一個空(kong)間。”修(xiu)發賢用手上(shang)下(xia)(xia)比(bi)劃(hua)著(zhu)(zhu)。人們知道，在“天(tian)花板”或(huo)者“地面”上(shang)，電(dian)子可以(yi)沿(yan)著(zhu)(zhu)“邊(bian)界線”有條不紊地做著(zhu)(zhu)規則(ze)運動，一列(lie)朝前，一列(lie)向(xiang)后，像是(shi)兩列(lie)在各自軌道上(shang)疾馳的(de)列(lie)車。那么，在立(li)體(ti)空(kong)間中(zhong)呢(ni)？

三維體系中存在量子霍爾效應嗎？如果(guo)有，電子的運動機制(zhi)是什么(me)？

觀測到(dao)量(liang)子霍爾效(xiao)應

但電子運動機制并不明確

6年前，修發(fa)賢加入復旦大學物(wu)理學系(xi)。2014年，在拓(tuo)撲(pu)半金屬領域，他(ta)選擇了(le)材料體系(xi)非常好的砷化鎘“試著研究一下”，誰料“一發不(bu)可收拾”。從大塊的體材料，到大片的薄膜，再到納米類(lei)結構和納米單晶，他(ta)帶著學生們(men)孜孜不(bu)倦地深耕于(yu)此(ci)，樂此(ci)不(bu)疲(pi)。

“我(wo)們在砷(shen)化鎘納(na)米片中看到這一現象時非常震驚，三維體系(xi)里邊怎么會(hui)出現量子霍爾(er)效(xiao)應？”2016年10月，修(xiu)發賢及其(qi)團隊(dui)第一次用高質(zhi)量的三維砷化鎘(ge)納米(mi)片觀測到量子霍爾效應(ying)時(shi)，就像目(mu)睹汽車飛到空中(zhong)那樣又驚(jing)又喜。

很快，他們的這一發(fa)現發(fa)表(biao)(biao)在了《自然—通訊》上。隨后，在樣(yang)品制備過程(cheng)中借鑒修發(fa)賢(xian)團隊前期已發(fa)表(biao)(biao)的經驗，日本和美國也有科學家在同樣(yang)的體系中觀(guan)測(ce)到了這一效應。但(dan)遺憾的是，基于當時的實(shi)驗結果(guo)，實(shi)際的電子運(yun)動機制并不明確。

課題(ti)組提出(chu)了他們的猜想：一種(zhong)可能的方式是從上(shang)表面到下表面的體態(tai)穿(chuan)越，電子(zi)做了垂直運動；另一種(zhong)可能是電子(zi)在(zai)上(shang)下兩個(ge)(ge)表面，即(ji)在(zai)兩個(ge)(ge)二維體系(xi)中，分別(bie)獨立形成了量子(zi)霍(huo)爾效應。

研(yan)究(jiu)人員決定“打破砂鍋問到底”。但是，面對(dui)千分(fen)之一(yi)根頭(tou)發絲粗細(xi)的(de)實驗材料(liao)和快(kuai)如閃電(dian)的(de)電(dian)子(zi)運動速度，這(zhe)實驗該(gai)怎么做？

把“房子”放歪

發(fa)現(xian)來源于外爾軌道的運動機制

“我(wo)們把‘房子’放(fang)歪了(le)！”實驗材料(liao)雖小(xiao)，靈(ling)感卻(que)可(ke)以從日(ri)常生活而來。修發(fa)賢(xian)課題(ti)組想了(le)一個辦法，他(ta)們創新性地利用楔(xie)形樣品實現可(ke)控的(de)厚度變(bian)化。“屋頂被傾斜了(le)，房子內部上下表面的(de)距離就會發(fa)生變(bian)化。”修發(fa)賢(xian)比劃出一個“橫倒的(de)梯形”。

通(tong)過測量量子(zi)(zi)(zi)霍(huo)爾平臺出(chu)現的(de)(de)(de)磁場，可以用公(gong)式推算(suan)出(chu)量子(zi)(zi)(zi)霍(huo)爾臺階。實驗(yan)發(fa)現，電子(zi)(zi)(zi)在其(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)運動(dong)軌道能量直接受到(dao)樣品(pin)(pin)厚度的(de)(de)(de)影響。這說(shuo)明，隨著(zhu)樣品(pin)(pin)厚度的(de)(de)(de)變化，電子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)運動(dong)時間(jian)也在變。所以，電子(zi)(zi)(zi)在做與樣品(pin)(pin)厚度相(xiang)關的(de)(de)(de)縱向(xiang)運動(dong)，其(qi)隧穿行(xing)為被證(zheng)明了。

“電子(zi)在上(shang)表面(mian)(mian)走四分(fen)之一圈，穿(chuan)越到下表面(mian)(mian)，完成另外一個(ge)(ge)四分(fen)之一圈后，再(zai)穿(chuan)越回上(shang)表面(mian)(mian)，形成半(ban)個(ge)(ge)閉環，這個(ge)(ge)隧穿(chuan)行為是(shi)無(wu)耗散(san)的，所(suo)以(yi)可以(yi)保證電子(zi)在整個(ge)(ge)回旋運動中仍(reng)然是(shi)量(liang)子(zi)化的。”修發賢說，整個(ge)(ge)軌道就是(shi)三(san)維的“外爾(er)軌道”，是(shi)砷化鎘納(na)米(mi)結(jie)構中量(liang)子(zi)霍(huo)爾(er)效應的來源(yuan)。

至此，三維量子霍(huo)爾效應(ying)的奧秘終于被揭開了。

對于這(zhe)次成(cheng)果(guo)的(de)誕生(sheng)，修發(fa)賢覺得，在砷化(hua)鎘的(de)研究方面，這(zhe)才剛(gang)剛(gang)開始。

“這是(shi)一(yi)個作品，我們第(di)一(yi)次提出了(le)新(xin)的機(ji)制，也(ye)得到了(le)認可(ke)。但還有可(ke)以深挖的，還有更具體(ti)的東西，我想得繼(ji)續做(zuo)細做(zuo)好。”他表示(shi)。