復旦研究團隊觀測到三維量子霍爾效應 四個諾貝爾獎曾與之直接相關

2020-11-23 前瞻網

復旦研究團隊觀測到三維量子霍爾效應 四個諾貝爾獎曾與之直接相關

 Emma Chou • 2018-12-19 10:40:38　來源：前瞻網　E624G0

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三維量子霍爾效應。幾十年前發現的量子霍爾效應仍然是凝聚態物理學中研究最多的現象之一，與拓撲相、強電子關聯和量子計算等研究領域相關。然而，科學家們對量子霍爾效應的研究仍停留於二維體系，從未涉足三維領域。

近日，復旦大學物理系研究團隊在《自然》雜誌上以《砷化鎘中基於外爾軌道的量子霍爾效應》為題，發表了一篇文章，描述了在拓撲半金屬砷化鎘納米片中觀測到了由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應的直接證據，邁出了從二維到三維的關鍵一步。

修發賢為通訊作者，復旦大學物理學系博士生張成，復旦校友、康奈爾大學博士後張億和復旦大學物理學系博士生袁翔為共同第一作者。

據悉，量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一，迄今已有四個諾貝爾獎與其直接相關。

霍爾效應在1879年被E.H.霍爾發現，它定義了磁場和感應電壓之間的關係。當電流通過一個位於磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個橫向的作用力，從而在導體的兩端產生電壓差。

量子霍爾效應是量子力學版本的霍爾效應，需要在低溫強磁場的極端條件下才可以被觀察到，此時霍爾電阻與磁場不再呈現線性關係，而出現量子化平臺。

2016年10月，修發賢及其團隊第一次用高質量的三維砷化鎘納米片觀測到量子霍爾效應的時候，就像目睹汽車飛到空中那樣又驚又喜。

在實驗結果不太理想時，他們提出了猜想：一種可能的方式是從上表面到下表面的體態穿越，電子做了垂直運動;另一種可能是電子在上下兩個表面，即在兩個二維體系中，分別獨立形成了量子霍爾效應。

修發賢課題組想了一個辦法，他們創新性地利用楔形樣品實現可控的厚度變化。「屋頂被傾斜了，房子內部上下表面的距離就會發生變化。」修發賢比劃出一個「橫倒的梯形」。

通過測量量子霍爾平臺出現的磁場，可以用公式推算出量子霍爾臺階。實驗發現，電子在其中的運動軌道能量直接受到樣品厚度的影響。這說明，隨著樣品厚度的變化，電子的運動時間也在變。所以，電子在做與樣品厚度相關的縱向運動，其隧穿行為被證明了。

「電子在上表面走一段四分之一圈，穿越到下表面，完成另外一個四分之一圈後，再穿越回上表面，形成半個閉環，這個隧穿行為也是無耗散的，所以可以保證電子在整個迴旋運動中仍然是量子化的。」修發賢說，整個軌道就是三維的「外爾軌道」，是砷化鎘納米結構中量子霍爾效應的來源。

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