復旦大學物理系的研究團隊觀察到拓撲半金屬砷化鎘納米片中外層軌道形成的新三維量子霍爾效應的直接證據，並從二維向三維邁出了關鍵一步。
北京時間12月18日零時，相關研究成果在砷化鎘的《自然》( DOI : 10.1038 / S 41586 - 018 - 0798 - 3 )上以「基於Weyl軌道公司3AS 2的量子霍爾效應」的標題發布。) )
對於這項成就的誕生，秀法顯覺得這只是砷化鎘研究的開始。「這是一部作品。我們第一次提出了一種新的機制，這一機制也得到了認可。但是仍然有一些事情可以挖掘得更深更具體，我認為我必須繼續做好工作。這次，我們發現了三維量子霍爾效應，這為今後的進一步研究和探索提供了一定的實驗依據。此外，這種材料系統在應用中具有很高的遷移率，電子可以快速傳輸和響應，因此可以用作紅外探測和電子自旋的一些原型裝置。
主題背景
量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理中最重要的科學發現之一，迄今為止，已經有四項與此直接相關的諾貝爾獎。
然而，100多年來，科學家對量子霍爾效應的研究一直停留在二維系統中，從未涉足三維領域。
早在130多年前，美國物理學家霍爾就發現，通過向通電導體施加垂直於電流方向的磁場，電子的軌跡會偏轉，從而在導體的縱向產生電壓。這種電磁現象被稱為「霍爾效應」。如果電子被限制在二維平面中，在強磁場的作用下，電子的運動可以在導體邊緣做一維運動，變得「規則」和「有序」。
然而，以前的實驗已經證明，量子霍爾效應只能發生在二維或準二維系統中。\
三維系統中有量子霍爾效應嗎？如果是，電子運動機制是什麼？
發現「房子」的運動機制是從外層軌道推導出來的。
「當我們在砷化鎘納米薄膜中看到這種現象時，我們感到震驚。三維系統中怎麼會有量子霍爾效應？」2016年10月，當秀髮賢和他的團隊首次觀察到高質量的三維砷化鎘納米片的量子霍爾效應時，他們和看到汽車飛到空中一樣驚訝和高興。
不久，他們的發現發表在《自然通訊》上。後來，在樣品製備過程中，秀法顯團隊早先發表的經驗被用作參考，日本和美國的科學家也在同一個系統中觀察到了這種影響。不幸的是，根據當時的實驗結果，電子運動的實際機制並不清楚。
研究小組提出了他們的猜想:一種可能的方式是從上表面到下表面交叉的姿勢，電子垂直移動；另一種可能性是電子在上表面和下表面獨立地形成量子霍爾效應，即在兩個二維系統中。
研究小組決定徹底打破砂鍋。然而，面對千分之一頭髮絲大小的實驗材料，如何做這個實驗，這個實驗速度和閃電的電子移動速度一樣快？起初，他們不知道如何開始。
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秀法顯的研究小組想出了一種創新的方法，利用楔形樣本來實現可控的厚度變化。\
通過測量出現在量子霍爾平臺上的磁場，量子霍爾臺階可以通過公式計算。發現電子軌道的能量直接受樣品厚度的影響。這表明，隨著樣品厚度的變化，電子的運動時間也隨之變化。因此，已經證明了電子在縱向運動中的隧穿行為與樣品的厚度有關。
「電子在上表面上行進四分之一圈，並穿過下表面。再轉四分之一圈後，它們交叉回到上表面，形成半閉環。這種隧穿行為也是非耗散性的，因此可以保證電子在整個迴旋運動中仍然是量子化的。」秀髮賢說，整個軌道是三維「外軌道」，是砷化鎘納米結構中量子霍爾效應的來源。
此時，三維量子霍爾效應的奧秘終於被揭開了。
全文要點
基於三維拓撲半金屬材料CD3As 2，發現了一種新的量子霍爾效應，據信這種效應源於外軌道。
使用楔形CD3As 2納米片，發現樣品厚度極大地調節了量子霍爾輸運。
朗道能級與磁場強度和方向以及樣品厚度的關係與理論預測一致。
三維量子霍爾效應
修·法顯於2007年獲得加州大學河濱分校的博士學位。2008年至2011年在加州大學洛杉磯分校進行博士後研究。2011年，他是愛荷華州立大學的助理教授。他於2012年入選青年1000計劃，並於2013年加入復旦大學，獲得了優青和浦江人才計劃的支持。
秀髮縣的研究小組主要從事拓撲Dirac材料的生長、量子控制和新型二維原子晶體器件的研究。就Dirac材料而言，我們致力於新量子材料的生長、物理性能的測量以及量子器件的製備和表徵。主要研究二維材料的電學、磁學和光電性能。
在過去10年中，超過100篇SCI論文已經在學術期刊上發表，如《自然材料》、《自然納米技術》、《自然通訊》、《JACS》和《納米信件》。目前，工作的重點是新Dirac材料的生長、量子控制和新的二維原子晶體的器件研究。
圖1 外爾軌道中的量子霍爾效應。
b： 二維量子霍爾效應圖示。
c：基於外爾軌道的三維量子霍爾效應圖示。
d，e： 基於楔形樣品，在不同厚度出測量輸運性質圖示。
楔形樣品1的量子霍爾效應。x軸方向上，厚度變化。
楔形樣品2，y軸方向上的量子霍爾效應。
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。
將樣品在y-z平面內傾斜，產生的不對稱的霍爾電阻。
外爾軌道內朗道能級偏移的分析。