我國(guo)科(ke)學家首(shou)次在三維(wei)空間(jian)中發現量子霍爾效應(ying) 這一發現為(wei)未來三維空間量子化傳輸提供了新(xin)的思路和實驗基礎

“你說這么薄算二維嗎？”復旦大學物理學系(xi)教授(shou)修發賢拿(na)起一(yi)張(zhang)A4紙(zhi)：“這個(ge)(ge)厚度(du)最起碼已經到(dao)幾(ji)十微米了，但真正的二維是(shi)幾(ji)個(ge)(ge)原子層厚，僅有幾(ji)納米，是(shi)紙(zhi)張厚度(du)的萬分之一。”

量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理(li)領(ling)域最重要(yao)的科(ke)學發現之一，迄(qi)今已有4個(ge)諾貝爾獎(jiang)與其直接相關。但100多年來，科學家們對量子霍爾效應(ying)的(de)研(yan)究仍停留(liu)于二維(wei)體系，從(cong)未涉足(zu)三維(wei)領域(yu)。

修發賢(xian)課(ke)題(ti)組近日在該領域實現突破，在拓撲半金屬砷化鎘(ge)納米片中觀測到(dao)了(le)由外爾軌道形成的新型三維(wei)量(liang)子霍(huo)爾效應的直接(jie)證據，邁(mai)出了(le)從二維(wei)到(dao)三維(wei)的關(guan)鍵一步。

12月18日，相關研(yan)究成果在線(xian)發表(biao)于《自然》。

給電子“定規矩”

三(san)維量子霍爾效應(ying)真的(de)存在嗎(ma)

早在(zai)130多年前，美國物(wu)理(li)學家霍爾就(jiu)發(fa)現，對通電(dian)的(de)(de)導體加上垂直于電(dian)流方(fang)(fang)向的(de)(de)磁(ci)場(chang)(chang)，電(dian)子的(de)(de)運(yun)動軌跡將發(fa)生偏(pian)轉，在(zai)導體的(de)(de)縱(zong)向方(fang)(fang)向產生電(dian)壓(ya)，這個電(dian)磁(ci)現象就(jiu)是“霍爾效應(ying)”。如果將電(dian)子限(xian)制(zhi)在(zai)二維平面內，在(zai)強大的(de)(de)磁(ci)場(chang)(chang)作用(yong)下，電(dian)子的(de)(de)運(yun)動可以在(zai)導體邊緣(yuan)做(zuo)一維運(yun)動，變得“講規(gui)則”“守秩序”。

但以(yi)往的實驗證明，量(liang)子霍爾效(xiao)應只會(hui)在(zai)二(er)維或者準二(er)維體(ti)系(xi)中(zhong)發生(sheng)。“比(bi)如說這間屋子，除了上表面、下表面，中(zhong)間還存在(zai)一(yi)個空間。”修發賢(xian)用手上下比(bi)劃著(zhu)。人們知(zhi)道(dao)，在(zai)“天花板”或者“地(di)面”上，電(dian)子可以(yi)沿著(zhu)“邊(bian)界線(xian)”有條不紊地(di)做著(zhu)規則運(yun)動(dong)，一(yi)列(lie)朝(chao)前，一(yi)列(lie)向后(hou)，像是兩列(lie)在(zai)各自軌道(dao)上疾(ji)馳的列(lie)車(che)。那么(me)，在(zai)立體(ti)空間中(zhong)呢？

三(san)維(wei)體系中存(cun)在量子霍爾效應嗎？如(ru)果(guo)有，電子的(de)運動(dong)機制是什么？

觀測到量子霍爾(er)效應

但電子運動機制(zhi)并不明確(que)

6年前(qian)，修(xiu)發賢加入(ru)復旦(dan)大學物理學系。2014年，在拓撲半金(jin)屬領域，他選(xuan)擇了材料體系非常好的(de)砷化鎘“試(shi)著(zhu)研(yan)究(jiu)一(yi)(yi)下(xia)”，誰(shui)料“一(yi)(yi)發不(bu)可收拾”。從大(da)塊的(de)體材料，到大(da)片的(de)薄膜，再到納(na)(na)米(mi)類結構和納(na)(na)米(mi)單(dan)晶，他帶著(zhu)學生們(men)孜(zi)孜(zi)不(bu)倦地(di)深耕(geng)于此(ci)，樂此(ci)不(bu)疲。

“我們在砷(shen)化鎘納米片中看(kan)到這一現象時非常震驚(jing)，三維體系里邊怎(zen)么會出現量子(zi)霍爾效應？”2016年10月，修發賢(xian)及其(qi)團隊第一次用高(gao)質量的(de)三(san)維砷化(hua)鎘納米(mi)片觀測(ce)到量子霍爾效(xiao)應時，就像目睹汽車飛到空(kong)中那(nei)樣又驚(jing)又喜。

很快，他們的這一(yi)發(fa)(fa)現發(fa)(fa)表(biao)在了(le)《自然—通訊》上。隨后，在樣品制備過程中(zhong)借鑒修發(fa)(fa)賢團隊前(qian)期已發(fa)(fa)表(biao)的經驗，日本和美國也有科學家(jia)在同樣的體(ti)系(xi)中(zhong)觀測到了(le)這一(yi)效應。但遺憾的是，基(ji)于當時的實(shi)驗結果，實(shi)際(ji)的電子(zi)運動機制并不明確。

課題組提出了(le)(le)他(ta)們的(de)猜(cai)想：一種可能的(de)方式是(shi)從(cong)上表(biao)面到下表(biao)面的(de)體(ti)(ti)態穿(chuan)越，電(dian)子(zi)做(zuo)了(le)(le)垂直運動；另(ling)一種可能是(shi)電(dian)子(zi)在上下兩(liang)個(ge)表(biao)面，即在兩(liang)個(ge)二維體(ti)(ti)系中，分別獨立形成了(le)(le)量子(zi)霍(huo)爾效應。

研究(jiu)人員決定“打破(po)砂鍋問(wen)到底”。但是，面對千(qian)分(fen)之一根頭發絲粗細的(de)實(shi)(shi)驗材(cai)料和快(kuai)如閃(shan)電的(de)電子運動速度(du)，這實(shi)(shi)驗該(gai)怎么(me)做？

把“房子(zi)”放(fang)歪

發現來(lai)源于外爾軌道的(de)運動(dong)機制

“我們(men)把‘房子(zi)’放歪了(le)！”實驗(yan)材料雖小(xiao)，靈(ling)感卻可(ke)以(yi)從日常(chang)生活(huo)而來。修發賢課題組想了(le)一個辦法，他們(men)創新性地利用(yong)楔形樣品實現可(ke)控的(de)厚(hou)度(du)變(bian)化。“屋頂(ding)被傾斜了(le)，房子(zi)內(nei)部上下表(biao)面的(de)距離就會(hui)發生變(bian)化。”修發賢比(bi)劃出一個“橫倒的(de)梯(ti)形”。

通過測(ce)量量子(zi)(zi)(zi)霍爾平(ping)臺出現的(de)磁場，可(ke)以(yi)用公式推(tui)算出量子(zi)(zi)(zi)霍爾臺階(jie)。實驗發現，電子(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)其中的(de)運動軌道能量直接受到樣(yang)品厚度(du)的(de)影響。這(zhe)說明，隨(sui)著樣(yang)品厚度(du)的(de)變化，電子(zi)(zi)(zi)的(de)運動時間也在(zai)(zai)變。所以(yi)，電子(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)做與(yu)樣(yang)品厚度(du)相關的(de)縱向運動，其隧穿行為被證(zheng)明了。

“電子(zi)(zi)(zi)在(zai)上(shang)表面(mian)走四分之(zhi)(zhi)一(yi)圈(quan)(quan)，穿越(yue)到下表面(mian)，完成另外一(yi)個(ge)四分之(zhi)(zhi)一(yi)圈(quan)(quan)后，再(zai)穿越(yue)回(hui)上(shang)表面(mian)，形(xing)成半個(ge)閉環，這個(ge)隧穿行為是無(wu)耗散的(de)，所以(yi)可(ke)以(yi)保證電子(zi)(zi)(zi)在(zai)整個(ge)回(hui)旋運(yun)動中(zhong)仍然是量(liang)子(zi)(zi)(zi)化(hua)的(de)。”修(xiu)發(fa)賢(xian)說，整個(ge)軌(gui)(gui)道就是三(san)維的(de)“外爾(er)軌(gui)(gui)道”，是砷化(hua)鎘納米(mi)結構中(zhong)量(liang)子(zi)(zi)(zi)霍爾(er)效(xiao)應的(de)來源(yuan)。

至此，三維(wei)量子霍爾效應的奧秘終于被揭(jie)開了。

對(dui)于這(zhe)次成(cheng)果的(de)誕生，修發賢覺得(de)，在砷(shen)化鎘的(de)研究方面，這(zhe)才剛剛開始。

“這是一(yi)個(ge)作品，我們(men)第一(yi)次提出(chu)了(le)新的機制，也得到了(le)認可(ke)。但(dan)還有可(ke)以深(shen)挖的，還有更具體的東西，我想得繼續做細(xi)做好。”他表示。