導讀
在一個三維金屬中，有很多電子跑來跑去。這就是為什麼金屬可以導電。如果沒有外加磁場，電子的運動都是直線運動。在有外加磁場時，電子的運動就都變成螺旋運動了。
可是如果電子之間有相互作用，電子的螺旋運動會相互影響，導致相變。相變後，電子會自發組織成一層一層的結構。電子在三維的螺旋運動會變成局限在二維平面內的螺旋運動。限制在每個平面內做螺旋運動的電子形成一個二維的量子霍爾態。
這是一個很有意思的相變。很像《三體》中所描寫的「降維攻擊」。一個三維電子體系在加上強磁場後，會自發變成一個一層一層的二維電子體系，而這個二維電子體系又正好是一個帶拓撲序的量子物態。這一奇妙的降維相變最近被南科大和中科大的實驗物理學家發現。以前，拓撲序僅僅出現於半導體的二維界面上，現在這一新的實驗發現，給了我們一個新的材料體系，其中也能產生拓撲序。目前，我們在這一新材料中發現的僅僅是一類最簡單的拓撲序。希望今後在這一類材料中，我們可以發現更豐富的拓撲物態。
——文小剛
撰文 | 南科大物理系
2019年5月8日，國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）發表了主要由南方科技大學物理系和中國科學技術大學物理學院共同完成的題為 Three-dimensional quantum Hall effect and metal-insulator transition in ZrTe5的研究論文，實驗證實了哈佛大學理論物理學家Bertrand Halperin在1987年給出的關於三維電子氣體系中量子霍爾效應的理論預測。南科大物理系副教授張立源、中國科大教授喬振華和新加坡技術和設計大學教授楊聲遠為共同通訊作者；美國布魯克海文國家實驗室、佛羅裡達強磁場實驗室、麻省理工學院、新加坡技術和設計大學為共同參與單位。
在凝聚態物理學中，對於對稱性、相互作用、拓撲性以及維度（或自由度）的理解是永恆的研究課題，也是當前固體物理和器件應用的研究熱點。從1980年開始，量子霍爾效應的發現開啟了研究物理學中拓撲相變的新時代，也深刻地改變了人們對相變、對稱性和相互作用的理解。最近10年來，拓撲量子物態的相關研究已經成為當前凝聚態物理領域最活躍的課題之一。高品質的ZrTe5晶體具有超高的遷移率、超低載流子濃度和多種珍奇的拓撲能帶特徵，成為了研究三維電子氣體系的拓撲量子相變的理想材料之一。
圖1. ZrTe5單晶（Tp ~95K）的（a）降溫曲線和（b）三維費米面結構。
對於電阻率反常峰（Tp）在95K左右的ZrTe5樣品（圖1.a），張立源課題組通過細緻的低溫量子輸運測量，並結合各個軸向的量子振蕩分析，得到了非常清晰的費米面拓撲結構（圖1.b）。儘管ZrTe5的費米面存在非常強的各向異性，但其本身閉合的費米面結構仍然很好地說明了體系是屬於完全的三維系統。
課題組在低溫下的輸運測量中，發現了非常明顯的量子霍爾平臺（圖2.a）。通過仔細分析平臺量子化電阻值和樣品厚度之間的依賴關係，研究組指出，量子霍爾層的周期正好為材料z方向費米波長的1/2（圖2.b），這很好地證明了三維電子氣在磁場調製下形成電荷密度波（CDW）結構的物理圖像。理論模擬三維電子氣在強磁場下的行為，可以清晰看到電子氣形成一層一層的量子層結構（圖2.b插圖）。此外，z方向的非歐姆性輸運行為也給出了CDW存在的有力證據。
圖2.（a）ZrTe5單晶中的三維量子霍爾效應；（b）z方向的CDW周期和費米波長，插圖是三維電子氣在磁場下形成二維導電層的模擬
在體系進入量子極限後，研究組觀測到了非常明顯的金屬絕緣體相變行為（圖3.a）。體系存在一個典型的零溫量子臨界點，為量子相變，並可以畫出體系的電子相圖（圖3.b），這些結果為將來研究三維電子氣中的電子相互作用效應提供了很好的參考。
圖3.（a）ZrTe5單晶中金屬絕緣體相變的標度行為；（b）體系的電子相圖
張立源表示，這項工作的順利開展離不開博士生湯方棟、任亞飛，博士後王培培的細緻分析和勤奮工作。另一方面，研究過程中的合作、溝通和討論是必不可少的。現在的科學研究越來越注重團隊合作，單靠一個人的努力是不夠的，許多人在一起各自發揮優勢可以把事情做得更好。張立源說，很幸運能和中國科技大學的喬振華研究組、新加坡技術與設計大學（Singapore University of Technology and Design）的楊聲遠教授、布魯克海文國家實驗室的顧根大研究組、弗羅裡達州立大學和美國強磁場中心的楊昆老師以及麻省理工學院的李雅達（Patrick A Lee）先生一起合作。
可以預見，就像二維量子霍爾效應的發現引起轟動那樣，此項研究成果將會開闢一個嶄新的三維量子物態的研究領域。值得一提的是，Bertrand Halperin在2019年獲得APS Medal for Exceptional Achievement in Research時，專門在獲獎報告中將其在1987年關於三維量子霍爾效應的理論預言列為自己的終身成就之一。在得知此次研究團隊的實驗成果後，他向團隊表達了祝賀和肯定，並稱讚團隊的成果「indeed a very nice discovery」。
此項研究工作得到了廣東省創新創業團隊計劃、深圳孔雀團隊、深圳市科創委基礎研究（學科布局）項目基金等專項基金的大力支持。
本文轉載自「南方科技大學新聞網」。
《返樸》，致力好科普。國際著名物理學家文小剛與生物學家顏寧聯袂擔任總編，與幾十位學者組成的編委會一起，與你共同求索。