我國科學家首次在(zai)三(san)維空間中發現量子霍爾效應 這(zhe)一發(fa)現為未來三維空間(jian)量子化傳輸提供了新的思路和實驗基礎

“你(ni)說這么薄算二維嗎？”復旦大學(xue)物理(li)學(xue)系教授修發賢拿起(qi)一張A4紙：“這個厚(hou)(hou)度最起碼已經到幾(ji)十(shi)微米(mi)了，但真正的二維是幾(ji)個原(yuan)子層厚(hou)(hou)，僅有幾(ji)納米(mi)，是紙張厚(hou)(hou)度的萬分之一。”

量子霍爾(er)效應是(shi)20世紀以來凝(ning)聚態物(wu)理(li)領域最重要(yao)的科學發現之一，迄今已有4個諾貝爾獎與其直接相關。但(dan)100多年(nian)來，科學家們(men)對量子霍爾效應的(de)研究(jiu)仍停留(liu)于二維體系(xi)，從(cong)未涉足三維領域。

修(xiu)發賢(xian)課題組近日在該領域實現突破，在拓(tuo)撲半金屬(shu)砷化鎘納米片中(zhong)觀測到(dao)了由外爾軌道形成的(de)(de)新型三(san)維量子霍(huo)爾效應的(de)(de)直接證據(ju)，邁出了從二(er)維到(dao)三(san)維的(de)(de)關鍵一步。

12月18日，相關研究成(cheng)果在線發表(biao)于(yu)《自(zi)然》。

給電子“定(ding)規矩(ju)”

三維(wei)量子霍(huo)爾(er)效(xiao)應真(zhen)的(de)存在嗎

早在(zai)130多(duo)年前，美國物理(li)學家霍爾(er)就(jiu)發現(xian)，對通電的(de)導(dao)體加上垂直于電流方向(xiang)的(de)磁場(chang)，電子的(de)運動軌跡將發生(sheng)偏轉，在導(dao)體的(de)縱向(xiang)方向(xiang)產(chan)生(sheng)電壓，這個電磁現(xian)象就(jiu)是“霍爾(er)效(xiao)應”。如果(guo)將電子限制在二維(wei)(wei)平面(mian)內，在強大的(de)磁場(chang)作用(yong)下，電子的(de)運動可(ke)以在導(dao)體邊緣做(zuo)一(yi)維(wei)(wei)運動，變得(de)“講(jiang)規則”“守(shou)秩序”。

但以往的(de)實驗(yan)證明，量(liang)子霍爾效應(ying)只會在二維或(huo)者準二維體系中(zhong)發(fa)生(sheng)。“比如說這(zhe)間屋子，除(chu)了上(shang)(shang)表面、下表面，中(zhong)間還存在一個(ge)空(kong)(kong)間。”修(xiu)發(fa)賢(xian)用手上(shang)(shang)下比劃著。人們知道(dao)，在“天花板”或(huo)者“地面”上(shang)(shang)，電子可(ke)以沿(yan)著“邊界線”有條不紊(wen)地做著規(gui)則運動(dong)，一列(lie)朝(chao)前，一列(lie)向后，像是兩列(lie)在各自軌道(dao)上(shang)(shang)疾馳的(de)列(lie)車。那么，在立體空(kong)(kong)間中(zhong)呢(ni)？

三維體(ti)系中存在(zai)量子霍爾效(xiao)應嗎(ma)？如果有，電子的運動機制是(shi)什么？

觀測到量(liang)子霍爾效應

但電子運(yun)動機制(zhi)并不明確

6年前，修發賢加(jia)入復(fu)旦大學(xue)物理學(xue)系(xi)。2014年，在拓撲半金屬領域，他選擇了材(cai)料(liao)體(ti)系非常(chang)好的砷(shen)化鎘“試著(zhu)研究一(yi)下(xia)”，誰料(liao)“一(yi)發不(bu)可收拾”。從大(da)塊的體(ti)材(cai)料(liao)，到大(da)片的薄膜，再到納米類結構和納米單晶(jing)，他帶著(zhu)學(xue)生(sheng)們(men)孜(zi)孜(zi)不(bu)倦地深(shen)耕于此，樂此不(bu)疲。

“我們(men)在砷化鎘納(na)米(mi)片中看(kan)到這一現象時非常震驚，三維(wei)體(ti)系里(li)邊怎(zen)么會出現量子霍爾效應？”2016年10月，修發賢及其團(tuan)隊(dui)第一次用高質量的三維砷化鎘納米片觀測到量子霍(huo)爾效(xiao)應時，就像(xiang)目睹(du)汽車飛到空中那樣又驚又喜。

很快，他們的(de)這(zhe)一發(fa)現發(fa)表在(zai)了(le)(le)《自然—通(tong)訊》上。隨后，在(zai)樣(yang)品制備過程中借鑒(jian)修發(fa)賢團隊前期(qi)已發(fa)表的(de)經驗，日本(ben)和(he)美國也有(you)科學家在(zai)同樣(yang)的(de)體系中觀測到了(le)(le)這(zhe)一效應(ying)。但(dan)遺憾的(de)是，基于當時的(de)實驗結果，實際(ji)的(de)電(dian)子(zi)運動(dong)機制并不明確(que)。

課題組(zu)提出了他們的猜想(xiang)：一種可能(neng)的方(fang)式是(shi)(shi)從上表面(mian)(mian)到下(xia)表面(mian)(mian)的體態穿(chuan)越(yue)，電子做了垂(chui)直運動；另(ling)一種可能(neng)是(shi)(shi)電子在(zai)上下(xia)兩個(ge)表面(mian)(mian)，即(ji)在(zai)兩個(ge)二維(wei)體系中，分(fen)別(bie)獨立(li)形(xing)成了量(liang)子霍(huo)爾效應。

研究(jiu)人員決定(ding)“打(da)破(po)砂鍋(guo)問到底”。但是(shi)，面對(dui)千分(fen)之一根頭(tou)發絲粗細的實驗材(cai)料和快如閃電(dian)的電(dian)子運動速度，這(zhe)實驗該(gai)怎么(me)做？

把(ba)“房子”放歪

發(fa)現(xian)來源(yuan)于外爾軌道的運(yun)動(dong)機制(zhi)

“我們(men)把‘房子’放歪了(le)！”實驗材料(liao)雖小(xiao)，靈感(gan)卻可以從日常生活而來。修(xiu)發(fa)賢課題組想了(le)一(yi)個辦法，他們(men)創新性(xing)地利用楔形樣品實現(xian)可控的厚度變化。“屋頂被傾斜了(le)，房子內部上下表面的距離就會發(fa)生變化。”修(xiu)發(fa)賢比劃(hua)出一(yi)個“橫(heng)倒的梯形”。

通過測量量子霍(huo)爾平臺(tai)出(chu)現(xian)的(de)(de)磁場(chang)，可(ke)以用公(gong)式(shi)推算出(chu)量子霍(huo)爾臺(tai)階。實(shi)驗發現(xian)，電子在(zai)其中的(de)(de)運(yun)動(dong)軌道能量直接(jie)受到樣品厚(hou)度的(de)(de)影響。這(zhe)說明，隨(sui)著樣品厚(hou)度的(de)(de)變(bian)化(hua)，電子的(de)(de)運(yun)動(dong)時間也(ye)在(zai)變(bian)。所以，電子在(zai)做與樣品厚(hou)度相關(guan)的(de)(de)縱(zong)向運(yun)動(dong)，其隧穿行為被證明了。

“電子在(zai)(zai)上(shang)表面走四分之(zhi)一(yi)圈，穿(chuan)越到下(xia)表面，完成另外一(yi)個(ge)四分之(zhi)一(yi)圈后，再(zai)穿(chuan)越回上(shang)表面，形成半個(ge)閉環，這個(ge)隧(sui)穿(chuan)行(xing)為(wei)是(shi)無耗散(san)的，所以(yi)(yi)可(ke)以(yi)(yi)保證電子在(zai)(zai)整(zheng)個(ge)回旋運動中仍然是(shi)量子化的。”修發(fa)賢說，整(zheng)個(ge)軌道(dao)就是(shi)三維(wei)的“外爾軌道(dao)”，是(shi)砷化鎘(ge)納(na)米結構中量子霍(huo)爾效應的來源。

至此，三維量子(zi)霍爾(er)效應(ying)的奧秘終(zhong)于被揭開了。

對于這次(ci)成果的誕生，修發賢覺得，在砷化(hua)鎘(ge)的研究(jiu)方面，這才剛剛開(kai)始。

“這(zhe)是(shi)一個作品，我們第(di)一次提出了新(xin)的(de)機制，也得到了認可。但(dan)還有可以深(shen)挖的(de)，還有更具體的(de)東西，我想得繼續做細(xi)做好。”他(ta)表示。