我校兩項成果入選2019年度中國科學十大進展

2020年2月27日，科技部高技術研究發展中心（基礎研究管理中心）發布2019年度中國科學十大進展。我校「實現對引力誘導量子退相干模型的衛星檢驗」及「首次觀測到三維量子霍爾效應」兩項成果同時入選。

實現對引力誘導量子退相干模型的衛星檢驗

量子力學和廣義相對論是現代物理學的兩大支柱。然而，任何試圖將量子力學和廣義相對論進行融合的理論工作都遇到極大困難。目前關於如何融合量子力學和引力理論的討論，模型眾多，但都普遍缺乏實驗檢驗。

我校潘建偉院士及其同事彭承志、範靖雲等與合作者，利用「墨子號」量子科學實驗衛星，在國際上率先在太空中開展了引力誘導量子糾纏退相干的實驗檢驗，對穿越地球引力場的量子糾纏光子退相干情況進行測試。根據「事件形式」理論模型預言，糾纏光子對在地球引力場中的傳播，其關聯性會概率性地損失；而依據現有的量子力學理論，所有糾纏光子對將保持糾纏特性。最終，衛星實驗檢驗結果並不支持「事件形式」理論模型的預測，而與標準量子理論一致。這是國際上首次利用量子衛星在地球引力場中對嘗試融合量子力學與廣義相對論的理論進行實驗檢驗，將極大地推動相關物理學基礎理論和實驗研究。

檢測引力致糾纏退相干現象的實驗示意圖

首次觀測到三維量子霍爾效應

四十年前，二維電子體系中量子霍爾效應的發現，將拓撲學引入到凝聚態物理，研究至今，已成為凝聚態物理的核心研究內容之一。該效應發現不久，Bertrand Halperin等人從理論上預言可能在三維電子氣體系中產生量子霍爾效應，但迄今為止，還沒有從實驗上觀測到「三維量子霍爾效應」。

我校喬振華研究組與南方科技大學物理學系張立源研究組及新加坡科技設計大學楊聲遠等合作，在塊體碲化鋯（ZrTe5）晶體中首次實驗實現了「三維量子霍爾效應」。研究人員對碲化鋯體單晶進行了磁場下的低溫電子輸運測量，在一個相對低的磁場下達到了量子極限狀態（即只有最低朗道能級被佔據）。在該狀態下，研究人員觀測到了一個接近於零的無耗散縱向電阻，並沿著磁場方向形成了一個正比於半個費米波長的、很好的橫向霍爾電阻平臺，這些是三維霍爾效應出現的確鑿標誌。理論分析還表明，該效應源於在極端量子極限下電子關聯增強產生的電荷密度波驅動的費米面失穩。通過進一步提高磁場強度，縱向電阻和霍爾電阻都急劇增加，呈現出金屬-絕緣體相變。該研究進展提供了三維量子霍爾效應的實驗證據，並提供了一個進一步探索三維電子體系中奇異量子相及其相變的很有前景的平臺。

三維量子霍爾效應及電荷密度波示意圖

由於磁場作用，體內電子在面內的運動形成朗道能級，如上方圓圈所示。在僅有一個朗道能級被佔據的量子極限下，電子間的關聯效應導致電荷密度波的形成，並進而使得體系轉化為三維量子霍爾絕緣體。

「中國科學十大進展」由科技部基礎研究管理中心舉辦，旨在加強對我國重大基礎研究進展的宣傳，激勵廣大科技工作者的科學熱情和奉獻精神，促進公眾更加理解、關心和支持科學，在全社會營造良好的科學氛圍。自2010年以來，我校共10項成果入選該進展，名列全國高校前茅。

（科研部）