中国科学家首次观测到三维量子霍尔效应

课题组决定，打破砂锅问到底。但面对千分之一根头发丝大小的实验材料，快如闪电的电子运动速度，这实验该怎么做？起初，他们也不知该如何下手。

“我们把‘房子’放歪了！”实验材料虽小，灵感却可以从日常生活而来。修发贤课题组想了一个办法，他们创新性地利用楔形样品实现可控的厚度变化。“屋顶被倾斜了，房子内部上下表面的距离就会发生变化。”修发贤比划出一个“横倒的梯形”。

通过测量量子霍尔平台出现的磁场，可以用公式推算出量子霍尔台阶。实验发现，电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响。这说明，随着样品厚度的变化，电子的运动时间也在变。所以，电子在做与样品厚度相关的纵向运动，其隧穿行为被证明了。

“电子在上表面走一段四分之一圈，穿越到下表面，完成另外一个四分之一圈后，再穿越回上表面，形成半个闭环，这个隧穿行为也是无耗散的，所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。”修发贤说，整个轨道就是三维的“外尔轨道”，是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源。

至此，三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开了。

坚守基础性研究 培育未来科学家

六年前，修发贤回国，加盟复旦大学物理学系。2014年，在拓扑半金属领域，修发贤选了材料体系非常好的砷化镉“试着研究一下”，谁料“一发不可收拾”。从大块的体材料，到大片的薄膜，再到纳米类结构和纳米单晶，修发贤带着学生们“孜孜不倦”深耕于此，乐此不疲。

对于这次成果的诞生，修发贤觉得，在砷化镉的研究方面，这才刚刚开始。“这是一个作品，我们第一次提出了新的机制，也得到了认可。但还有可以深挖的，还有更具体的东西，我想得继续做细做好。”

修发贤也是一位带了九位博士生的教师。正值周三，他晚上要跟学生们开一个小组会，交流他们在研究中的收获和困难，也会聊几句家常。他希望自己的工作不仅能做出好的科研作品，还能通过研究培养人，把学生培养成能未来独当一面的科学家。

由“小苗”长成“大树”谈何容易，科研进阶之路一点都不轻松。

项目做了三年，论文的第一作者张成在实验室也泡了三年。三天能做出六个样品，如果其中能有一个质量不错，也算幸运的了，而项目需要起码几十个能测得量子化现象的样品，这样一来，实际需要制作的样品不计其数，在样品制备方面花费的时间和精力可想而知。

样品难做，后续的保存和测量更为棘手。为了保证量子霍尔效应的出现，材料得维持极高的电子迁移率，容不得一点杂质的“混入”。但这又谈何容易？前期测量之后，合适的样品要被带往世界各地的强磁场中心，进行更高磁场下的电学测试。长途差旅，奔波劳顿，还得时刻小心，防止样品被氧化。

强磁场中心的实验条件好，但可用的实验时间可能只有短短一周。时差还没倒过来，几天连轴转的工作就得马上开始。做实验不是机械重复的手工，最新测量的数据出来后，实验策略和方法要及时调整、反复思考，才能在后续的测量中获得理想的实验结果。为了提高效率，张成和袁翔总是带上睡袋，实验间隙直接就在隔壁办公室就地休息。

吃了很多苦头，但大家都觉得值。“我也有过纠结，但多年来还是一直坚持做基础性、原创性的工作。”修发贤说，基础性和原创性让他和团队都感到兴奋。“三维量子霍尔效应，从此打上了复旦的烙印！”