南科大盧海舟團隊在三維量子霍爾效應理論取得重要進展

近日，南方科技大學物理系、量子科學與工程研究院教授盧海舟團隊在三維霍爾效應理論方面取得重要進展，相關成果以「Theory for the Charge-Density-Wave Mechanism of 3D Quantum Hall Effect」為題在《物理評論快報》(Physical Review Letters) 發表。該成果被選為編輯推薦並被美國物理學會作為Physics雜誌Viewpoint推介。

1980年，量子霍爾效應的發現成為了物理學史上最激動人心的篇章之一。量子霍爾效應表現為，在非常低的溫度和非常高的磁場下，霍爾電阻量子化為h/e2的整數倍 （h是普朗克常數，e是電子電量）。此後，物理學家們還發現了如量子反常霍爾效應等不需要磁場的版本。在量子霍爾效應被發現的這幾十年，已經誕生了3個諾貝爾物理學獎，與之相關的拓撲物態也成為物理學的重要研究方向。

(a)在二維體系中，量子霍爾效應出現時，只有邊緣態(藍色)傳導電子，而內部體態是絕緣的，因為費米能量位於朗道能級之間。(b)在三維，朗道能級成為沿著磁場方向色散的一維朗道能帶。量子霍爾效應在三維中很難實現，因為費米能量總要穿過一些朗道能帶，所以體態是金屬的。(c)電荷密度波可以打開朗道能帶的間隙，從而使體態絕緣，可以觀察到量子霍爾效應。

早期的研究認為量子霍爾效應很難在三維體系中實現，物理學家30年來一直在追求量子霍爾效應的三維版本，但一直沒有得到令人信服的結果。直到2019年，南科大的張立源團隊成功在化合物ZrTe5上觀測到三維量子霍爾效應。張立源團隊使用高遷移率低電子濃度的高質量樣品，冷卻到0.6開爾文，在大小為1.7到2.1特斯拉的磁場範圍間觀察到了量子化的霍爾電阻平臺和0縱向電阻率。在這個實驗中，電荷密度波被認為是最有可能的機制。電荷密度波是個關聯效應，可以把一個三維系統分成多層的二維量子霍爾效應的疊加。

此時，物理學家對這些新結果產生了新的困惑：觀測到的三維量子霍爾效應背後的定量物理機制是什麼？為什麼霍爾平臺只存在於一定的磁場範圍內？南科大盧海舟團隊提出了新的理論以解決這兩個問題。在研究團隊的模型中，一個磁場誘導的電荷密度波可以用來解釋三維量子霍爾效應平臺。他們發現，磁場引發了基於電子-聲子相互作用的從正常態到電荷密度波態的二級相變。此外，磁場中同時存在公度和非公度兩種電荷密度波，且在1.7-2.1特斯拉之間公度電荷密度波基態能量更低，從而解釋了此段磁場的霍爾平臺，也解釋了在2.1特斯拉以上沒有霍爾電阻平臺的困惑。

在上世紀，物理學對世界的認識很大程度上基於對稱性破缺的有序相變，而在本世紀，拓撲相變逐漸成為探索新物理的世界觀。本研究探索了一種連接兩個世紀的罕見情況，即同一個磁場在一個方向上誘導有序相變，但在另外兩個方向上誘導拓撲相變。

南科大校長卓越博士後覃昉為該文章的第一作者，盧海舟是通訊作者，合作者包括南科大物理系教授張文清，量子科學與工程研究院院長、物理系講席教授、中國科學院院士俞大鵬，北京大學教授、中國科學院院士謝心澄。

該項目獲得了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、中科院戰略優先研究計劃、廣東省普通高校創新團隊、深圳市重點實驗室、深圳市高水平大學建設亮點項目、中國博士後基金、南方科技大學卓越博士後基金、南方科技大學高性能計算平臺、上海自然科學基金的支持。

文章連結: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.206601