中国科学家首次观测到三维量子霍尔效应

三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开，首次观测到的是中国科学家，来自复旦大学物理学系修发贤课题组。量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一。

“你说这么薄算二维吗？”复旦大学物理学系教授修发贤拿起一张A4纸：“这个厚度最起码已经到几十微米了，但真正的二维是几个原子层厚，仅有几纳米，是纸张厚度的万分之一。”

量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一，迄今已有四个诺贝尔奖与其直接相关。但一百多年来，科学家们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系，从未涉足三维领域。

近日，复旦大学物理学系修发贤课题组首先在该领域实现重大突破，在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据，迈出了从二维到三维的关键一步。

12月17日，相关研究成果以《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》（“Quantum Hall effect based on Weyl orbits in Cd3As2”）为题在线发表于《自然》（Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0798-3.）。修发贤为通讯作者，复旦大学物理学系博士生张成，复旦校友、康奈尔大学博士后张亿和复旦大学物理学系博士生袁翔为共同第一作者。

给电子“定规矩”三维量子霍尔效应真的存在吗？

农贸市场往往热闹非凡，熙熙攘攘的人群四处拥挤。在导体中运动着的电子也是这样，没有明确的方向和轨迹，在运动的过程中还会使导体发热、产生能量损耗。

但井然有序的高速公路就不一样了，汽车们各有路线，不能回头，也不碰撞。如果电子也能如此，按照一定的规则有序运动，那么在传输过程中，能量损耗会大大减少。

早在130多年前，美国物理学家霍尔就发现，对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场，电子的运动轨迹将发生偏转，在导体的纵向方向产生电压,这个电磁现象就是“霍尔效应”。如果将电子限制在二维平面内，在强大的磁场作用下，电子的运动可以在导体边缘做一维运动，变得“讲规则”“守秩序”。

但以往的实验证明，量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。“比如说这间屋子，除了上表面、下表面，中间还存在一个空间。”修发贤用手上下比划着。人们知道，在“天花板”或者“地面”上，电子可以沿着“边界线”有条不紊的做着规则运动，一列朝前，一列向后，像是两列在各自轨道上疾驰的列车。那么，在立体空间中呢？

三维体系中存在量子霍尔效应吗？如果有，电子的运动机制是什么？

把“房子”放歪 发现来源于外尔轨道的运动机制

“我们在砷化镉纳米片中看到这一现象时，非常震惊，三维体系里边怎么会出现量子霍尔效应？”2016年10月，修发贤及其团队第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到量子霍尔效应的时候，就像目睹汽车飞到空中那样又惊又喜。

很快，他们的这一发现发表在了《自然·通讯》上。随后，在样品制备过程中借鉴了修发贤团队前期已发表的经验，日本和美国也有科学家在同样的体系中观测到了这一效应。但遗憾的是，基于当时的实验结果，实际的电子运动机制并不明确。

课题组提出了他们的猜想：一种可能的方式是从上表面到下表面的体态穿越，电子做了垂直运动；另一种可能是电子在上下两个表面，即在两个二维体系中，分别独立形成了量子霍尔效应。