最新成果！我國科學(xué)家首次試驗驗證三維量子霍爾效應(yīng)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)喬振華課題組與南方科技大學(xué)張立源課題組等合作，經(jīng)過5年多的努力，首次在毫米級的碲化鋯材料上觀測到三維量子霍爾效應(yīng)，研究成果5月9日發(fā)表在國際權(quán)威期刊《自然》上，引發(fā)學(xué)術(shù)圈的極大關(guān)注。美國國家科學(xué)院院士文小剛高度評價這一成果：“這一新的實驗發(fā)現(xiàn)，給了我們一個新的材料體系，其中也能產(chǎn)生拓撲序。”

碲化鋯是一種三維層狀結(jié)構(gòu)的新型材料，具有特殊的熱電性質(zhì)和反常的電阻對溫度的依賴關(guān)系，在上世紀被廣泛關(guān)注。近年來，全世界多個實驗室各自制備該材料，并通過多種不同的手段進行探測，希望確定其物理特性。

霍爾效應(yīng)描述了當磁場加載到金屬和半導(dǎo)體上時，電力與磁力之間的一種相互關(guān)系。1879年發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)這一基礎(chǔ)理論對半導(dǎo)體行業(yè)意義深遠，因為它是二極管被發(fā)明出來的重要前提。1980年，德國科學(xué)家馮·克利青首次在二維體系里發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)，改變了傳統(tǒng)學(xué)界對物態(tài)和相變的理解，并把拓撲的概念引入到物理學(xué)研究里，量子霍爾效應(yīng)也成了學(xué)術(shù)界的寵兒。

能否在三維體系中也觀測到量子霍爾效應(yīng)?1987年，哈佛大學(xué)伯特蘭·霍爾珀林教授從理論上預(yù)言了三維體系存在量子霍爾效應(yīng)，并給出了它的測量特征。國際學(xué)界將這種現(xiàn)象稱為“三維量子霍爾效應(yīng)”。然而要觀測到三維量子霍爾效應(yīng)，必須把電子態(tài)調(diào)控到量子極限區(qū)域，這對測量磁場條件或材料體系的要求異?？量蹋瑤资陙?，科學(xué)界一直未有確鑿的觀測證據(jù)。

從2014年起，南方科技大學(xué)張立源團隊開始嘗試實驗研究該體系，希望在拓撲性質(zhì)研究上有所斬獲，卻意外發(fā)現(xiàn)碲化鋯也是研究三維體系的理想材料。2017年年初，從事相同方向理論研究的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(shù)的來自國內(nèi)外著名研究機構(gòu)的樣品，終于在該三維宏觀材料上觀測到量子霍爾效應(yīng)。

自1980年發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)后，人們把注意力集中在二維體系里。這次在毫米級的宏觀尺度上實現(xiàn)了三維量子霍爾效應(yīng)，補全了霍爾效應(yīng)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(xué)者加入到新型的三維量子物態(tài)以及相變領(lǐng)域的研究之中，并為霍爾效應(yīng)家族的發(fā)展提供一個全新的領(lǐng)域和視角。”

140年前的埃德溫·霍爾無法回答經(jīng)典霍爾效應(yīng)能做什么。但今天，經(jīng)典霍爾效應(yīng)已經(jīng)融入我們?nèi)粘Ｉ钪?，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、手機等行業(yè)。三維量子霍爾效應(yīng)未來有什么樣的應(yīng)用，我們拭目以待。(常河 范瓊)

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