在碲化鋯體系中觀測到三維量子霍爾效應（設計：王國燕、何聰）

據(jù)《中國科學報》：中國科學技術大學喬振華課題組與南方科技大學張立源課題組等合作，首次在毫米級的碲化鋯材料上觀測到三維量子霍爾效應，其研究成果日前發(fā)表在《自然》上。

霍爾效應描述了當磁場加載到金屬和半導體上時，電力與磁力之間的一種相互關系。1879年發(fā)現(xiàn)的霍爾效應這一基礎理論對半導體行業(yè)意義深遠，因為它是二極管發(fā)明的重要前提。1980年，德國科學家馮·克利青首次在二維體系里發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應，改變了傳統(tǒng)學界對物態(tài)和相變的理解，并把拓撲概念引入到物理學研究中。

能否在三維體系中也觀測到量子霍爾效應？1987年，哈佛大學教授伯特蘭·霍爾珀林（Bertrand Halperin）從理論上預言了三維體系存在量子霍爾效應，并給出了它的測量特征。然而，要觀測到三維量子霍爾效應，必須把電子態(tài)調(diào)控到量子極限區(qū)域，這對測量磁場條件或材料體系的要求異?？量?，幾十年來，科學界一直未有確鑿的觀測證據(jù)。

碲化鋯是一種三維層狀結構的新型材料，具有特殊的熱電性質(zhì)和反常的電阻對溫度的依賴關系。近年來，全世界眾多實驗室在制備該材料，并希望通過多種不同手段進行探測確定其物理特性。從2014年起，張立源團隊開始嘗試實驗研究該體系，希望在拓撲性質(zhì)研究上有所收獲，卻意外發(fā)現(xiàn)碲化鋯是研究三維體系的理想材料。2017年初，從事相同方向理論研究的喬振華團隊與張立源團隊開始密切合作，測試分析了難以計數(shù)的樣品，終于在該三維宏觀材料上觀測到量子霍爾效應。

[科研人員稱題圖為“三維量子霍爾效應及電荷密度波示意圖”。他們表示，由于磁場效應，在層狀碲化鋯材料中，電子在面內(nèi)的運動形成朗道能級（即圖中上方圓圈所示）。在僅有一個Landau能級被占據(jù)的量子極限下，更強的電子關聯(lián)效應導致電荷密度波的形成，并進而使得體系轉(zhuǎn)化為三維量子霍爾絕緣體。產(chǎn)生該效應的關鍵是電子之間的關聯(lián)作用導致電荷密度波的形成。無論二維還是三維量子霍爾效應，系統(tǒng)的體相都必須是絕緣的。對于三維體系，由于沿著磁場方向的電子運動不受磁場影響，一個初始的金屬態(tài)在弱電子關聯(lián)效應下是無法變成絕緣體的。而當系統(tǒng)進入僅有一個Landau能級被占據(jù)的量子極限區(qū)域，電子之間的關聯(lián)效應大大增強，導致費米面的不穩(wěn)定。其結果是形成了一種奇特的量子態(tài)—電荷密度波，即電子的密度沿著磁場方向以一定的周期振蕩，整個體系轉(zhuǎn)化為三維量子霍爾絕緣體。]

此次在毫米級的宏觀尺度上實現(xiàn)三維量子霍爾效應，補全了霍爾效應家族一個重要拼圖。豐富多彩的三維體系，將為霍爾效應家族的發(fā)展提供全新的領域和視角。美國國家科學院院士文小剛對該發(fā)現(xiàn)給予高度評價：“給了我們一個新的材料體系，其中也能產(chǎn)生拓撲序?！?/span>