在碲化锆块体单晶体材料中首次观测到三维量子霍尔效应的明确证据,每个边界之间的能量差距的存在阻碍了电子从一层到另一层的运动

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《自然》:中国科大首次观测到三维量子霍尔效应

由中国科学技术大学、中国科学院、美国社会科学院乔振华教授领导的研究小组。南方科技大学张立元教授首次对ZrTe5晶体中的三维量子霍尔效应进行了实验观察。

从八十年代初在二维电子体系中发现至今,量子霍尔效应作为超导之外的另一个著名宏观量子现象在凝聚态物理中催生出了一个越趋活跃的研究领域。其内在本质,是将数学中的拓扑概念引入物理,超越了Landau根据对称性破缺理论对物质分类的传统标准,为近年的拓扑物态与拓扑材料的快速发展奠定了基础。

这项研究发表在《自然》杂志上(“ZrTe5中的三维量子霍尔效应和金属-绝缘体跃迁”)。

量子霍尔效应是否只存在于二维体系?这个基础问题从二维量子霍尔效应发现后不久即引起领域的关注。早在1987年,Bertrand
Halperin从理论上就预言了三维量子霍尔效应的存在和它的测量特征。但要验证这个新奇效应,对材料体系与测量手段的要求都非常高;尽管已有诸多尝试,实验上仍缺乏可信的观测证据。

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合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系的乔振华教授与南方科技大学张立源教授、新加坡科技设计大学杨声远教授、美国佛罗里达州立大学的杨昆教授、麻省理工学院的Patrick
A. Lee教授和布鲁海文国家实验室的Genda
Gu教授等理论与实验合作,在碲化锆块体单晶体材料中首次观测到三维量子霍尔效应的明确证据,并指出该效应可能是由于磁场下相互作用产生的电荷密度波诱导的。这一重要研究成果5月9日在线发表在国际权威学术期刊《自然》上。

在ZrTe5系统中观察到三维量子霍尔效应。(图片来源:王国燕,何聪)

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正常情况下,电子沿直线运动——这意味着电流通常沿电压降的方向流动。当磁场作用于垂直于电流的方向时,会对载流子施加横向力,从而产生横向电位差。这种现象就是著名的霍尔效应。

1980年,德国物理学家克劳斯·冯·克里津发现了霍尔效应的量子力学版本。1987年,哈佛大学的伯特兰·哈尔佩林提出了这种三维量子霍尔效应的签名。在三维系统中实现量子霍尔效应的直接策略是将二维拓扑材料逐层叠加。在每一层的边界上,电子可以像水中的一条畅通无阻的船一样向前移动。然而,每个边界之间的能量差距的存在阻碍了电子从一层到另一层的运动。在这种情况下,这样的系统仍然是二维的。