中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)基于外爾軌道的三維量子霍爾效應(yīng)

新華社上海12月19日電（記者 吳振東、仇逸）一百多年來(lái)，科學(xué)家對(duì)量子霍爾效應(yīng)的研究仍停留于二維體系。近日，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢課題組在拓?fù)浒虢饘偕榛k納米片中觀測(cè)到了由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應(yīng)的直接證據(jù)，邁出了從二維到三維的關(guān)鍵一步。

北京時(shí)間12月18日零時(shí)，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然》（Nature）。

美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)，對(duì)通電的導(dǎo)體加上垂直于電流方向的磁場(chǎng)，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)體的縱向方向產(chǎn)生電壓，這個(gè)電磁現(xiàn)象就是“霍爾效應(yīng)”。如果將電子限制在二維平面內(nèi)，在強(qiáng)大磁場(chǎng)作用下，電子的運(yùn)動(dòng)可以在導(dǎo)體邊緣做一維運(yùn)動(dòng)，變得“講規(guī)則”“守秩序”。但以往實(shí)驗(yàn)證明，量子霍爾效應(yīng)只會(huì)在二維或準(zhǔn)二維體系中發(fā)生。

2016年10月，修發(fā)賢及其團(tuán)隊(duì)第一次用高質(zhì)量的三維砷化鎘納米片觀測(cè)到了量子霍爾效應(yīng)，修發(fā)賢形容：“就像是目睹汽車飛到空中那樣又驚又喜。”隨后，日本和美國(guó)科學(xué)家在同樣的體系中觀測(cè)到這一效應(yīng)，但實(shí)際的電子運(yùn)動(dòng)機(jī)制在當(dāng)時(shí)并不明確。

修發(fā)賢課題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的體態(tài)穿越，電子做了垂直運(yùn)動(dòng)；另一種可能是電子在上下兩個(gè)表面，即在兩個(gè)二維體系中，分別獨(dú)立形成了量子霍爾效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，面對(duì)快如閃電的電子運(yùn)動(dòng)速度，課題組創(chuàng)新性地利用楔形樣品實(shí)現(xiàn)可控的厚度變化?！拔覀儼央娮舆\(yùn)動(dòng)的‘房子’放歪了，屋頂被傾斜了，房子內(nèi)部上下表面的距離就會(huì)發(fā)生變化?！毙薨l(fā)賢說(shuō)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電子在其中的運(yùn)動(dòng)軌道能量直接受到樣品厚度的影響，這說(shuō)明隨著樣品厚度的變化，電子的運(yùn)動(dòng)時(shí)間也在變。所以，電子在做與樣品厚度相關(guān)的縱向運(yùn)動(dòng)，其隧穿行為被證明了。

“電子在上表面走一段四分之一圈，穿越到下表面，完成另外一個(gè)四分之一圈后，再穿越回上表面，形成半個(gè)閉環(huán)，這個(gè)隧穿行為也是無(wú)耗散的，所以可以保證電子在整個(gè)回旋運(yùn)動(dòng)中仍然是量子化的。”修發(fā)賢說(shuō)，整個(gè)軌道就是三維的“外爾軌道”，是砷化鎘納米結(jié)構(gòu)中量子霍爾效應(yīng)的來(lái)源。至此，三維量子霍爾效應(yīng)的奧秘終于被揭開(kāi)。

量子霍爾效應(yīng)被稱作是20世紀(jì)以來(lái)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，迄今已有4個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)與其直接相關(guān)。課題組表示，三維量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，能夠?yàn)閷?lái)進(jìn)一步的科研探索提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。