三維量子霍爾效應是什麼?對強磁場有怎樣的影響力?

2020-11-23 OFweek維科網

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。但一百多年來，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。

以往的實驗證明，量子霍爾效應只會在二維或者準二維體系中發生。「比如說這間屋子，除了上表面、下表面，中間還存在一個空間。」修發賢用手上下比劃著。人們知道，在「天花板」或者「地面」上，電子可以沿著「邊界線」有條不紊的做著規則運動，一列朝前，一列向後，像是兩列在各自軌道上疾馳的列車。那麼，在立體空間中呢？

三維體系中存在量子霍爾效應嗎？如果有，電子的運動機制是什麼？

近日，復旦大學物理學系修發賢課題組首先在該領域實現重大突破，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。

12月17日，相關研究成果以《砷化鎘中基於外爾軌道的量子霍爾效應》（「Quantum Hall effect based on Weyl orbits in Cd3As2」）為題在線發表於《自然》（Nature， DOI： 10．1038／s41586－018－0798－3．）。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。

給電子「定規矩」三維量子霍爾效應真的存在嗎？

農貿市場往往熱鬧非凡，熙熙攘攘的人群四處擁擠。在導體中運動著的電子也是這樣，沒有明確的方向和軌跡，在運動的過程中還會使導體發熱、產生能量損耗。

但井然有序的高速公路就不一樣了，汽車們各有路線，不能回頭，也不碰撞。如果電子也能如此，按照一定的規則有序運動，那麼在傳輸過程中，能量損耗會大大減少。

早在130多年前，美國物理學家霍爾就發現，對通電的導體加上垂直於電流方向的磁場，電子的運動軌跡將發生偏轉，在導體的縱向方向產生電壓，這個電磁現象就是「霍爾效應」。如果將電子限制在二維平面內，在強大的磁場作用下，電子的運動可以在導體邊緣做一維運動，變得「講規則」「守秩序」。

但以往的實驗證明，量子霍爾效應只會在二維或者準二維體系中發生。「比如說這間屋子，除了上表面、下表面，中間還存在一個空間。」修發賢用手上下比劃著。人們知道，在「天花板」或者「地面」上，電子可以沿著「邊界線」有條不紊的做著規則運動，一列朝前，一列向後，像是兩列在各自軌道上疾馳的列車。那麼，在立體空間中呢？

三維體系中存在量子霍爾效應嗎？如果有，電子的運動機制是什麼？

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  • 三維量子霍爾效應是什麼 三維量子霍爾效應真的存在嗎如何應用
    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。但一百多年來，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，復旦大學物理學系修發賢課題組首先在該領域實現重大突破，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。
  • 從二維到三維的關鍵一步:三維量子霍爾效應
    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。
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    科學家們對量子霍爾效應的研究一直停留於二維體系，從未涉足三維領域。近日，穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）用戶復旦大學物理系教授修發賢課題組首先在該領域實現突破，在拓撲半金屬砷化鎘納米片中觀測到由外爾軌道形成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。
  • 我首次實驗驗證三維量子霍爾效應
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    》，這也是我國科學家首次在三維空間中發現量子霍爾效應。　　早在130多年前，美國物理學家霍爾發現，對通電的導體加上垂直於電流方向的磁場，電子的運動軌跡將發生偏轉，在導體的縱向方向產生電壓，這個電磁現象就是"霍爾效應"。以往的實驗證明，量子霍爾效應主要在二維或者準二維體系中發生。而修發賢課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片中觀測到了新型三維量子霍爾效應的直接證據。
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    據央視報導，今2018年12月18日，英國《自然》雜誌將發布復旦大學修發賢課題組的最新研究成果，《基於砷化鎘外軌道的量子霍爾效應為》。據說這是中國科學家第一次在三維空間發現量子霍爾效應。《自然》（nature）雜誌是世界歷史上最悠久最著名的科學雜誌之一。
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    然而，電與磁的「糾葛」遠不像我們想像的那麼簡單，有一種名為「三維量子霍爾效應」的神奇電磁現象，成為了近幾年的一個熱門研究話題。毫不誇張地說，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。但是三維量子霍爾效應一百多年來都是科學家們心中的一片淨土。
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    中新社合肥5月14日電 (範瓊)中國科學技術大學14日消息，該校喬振華課題組與南方科技大學張立源課題組等合作，經過5年多的努力，首次在毫米級的碲化鋯材料上觀測到三維量子霍爾效應。這也是國際上首次實驗驗證到三維量子霍爾效應，研究成果近日發表在國際權威期刊《自然》上，引發國際學術界的關注。霍爾效應，1879年由美國物理學家霍爾發現的一個物理效應，是對電磁力規律的一個描述，是二極體發明的前提，也是半導體工業發展的重要基礎。
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    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。
  • 南方科技大學盧海舟團隊在三維量子霍爾效應理論取得重要進展
    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[1]（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[2]。(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。
  • 復旦學者在三維空間中觀測到了量子霍爾效應,成果登《自然》
    量子霍爾領域再現重大突破。北京時間12月18日0時，《自然》在線發表了復旦大學物理學系修發賢課題組的最新研究成果，他們發現了基於外爾軌道的三維量子霍爾效應。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一，1985年和1998年的諾貝爾物理學獎便出自該領域。
  • 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
    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。
  • 我國科學家首次觀測到三維量子霍爾效應 成果將刊登《自然》雜誌
    早在130多年前，美國物理學家霍爾發現，對通電的導體加上垂直於電流方向的磁場，電子的運動軌跡將發生偏轉，在導體的縱向方向產生電壓，這個電磁現象就是「霍爾效應」。以往的實驗證明，量子霍爾效應主要在二維或者準二維體系中發生。而修發賢課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片中觀測到了新型三維量子霍爾效應的直接證據。
  • ...研究組及合作者關於外爾半金屬中三維量子霍爾效應及其邊緣態...
    ，就有理論工作討論如何在三維體系中實現霍爾電導的量子化。在三維體系中，電子在垂直於磁場的方向形成朗道能級，在沿著磁場的方向有連續的色散。所以，無論費米能級處於哪裡，總會有體態的電子參與到輸運過程之中，導致無法量子化。然而，拓撲物態的種類逐漸豐富，為三維量子霍爾效應的實現提供了新的思路。近年來，拓撲半金屬中三維量子霍爾效應的研究引起了廣泛的興趣。
  • ...中心謝心澄研究組及合作者關於外爾半金屬中三維量子霍爾效應...
    ，就有理論工作討論如何在三維體系中實現霍爾電導的量子化。在三維體系中，電子在垂直於磁場的方向形成朗道能級，在沿著磁場的方向有連續的色散。所以，無論費米能級處於哪裡，總會有體態的電子參與到輸運過程之中，導致無法量子化。然而，拓撲物態的種類逐漸豐富，為三維量子霍爾效應的實現提供了新的思路。近年來，拓撲半金屬中三維量子霍爾效應的研究引起了廣泛的興趣。
  • 中國學者發現基於外爾軌道三維量子霍爾效應
    中國學者發現基於外爾軌道三維量子霍爾效應 吳振東 仇逸/新華社 2018-12-19 19:29
  • 我國首次實驗驗證三維量子霍爾效應
    科技日報合肥5月14日電 (記者吳長鋒)記者從中國科學技術大學獲悉，該校喬振華課題組與南方科技大學張立源課題組等合作，經過5年多的努力，首次在毫米級的碲化鋯材料上觀測到三維量子霍爾效應，研究成果近日發表在國際期刊《自然》上，引發學術圈關注。