复旦突破量子霍尔效应百年体系 涉足三维领域成果登《自然》
▲修发贤课题组主要从事拓扑狄拉克材料的生长、量子调控和新型二维原子晶体的器件研究。（图／研之成理微信公众号）
大陆中心／综合报导
上海复旦大学物理学系修发贤课题组实现重大突破，发现了基于外尔轨道的三维量子霍尔效应，是自霍尔效应发现的一百多年来，首次涉足三维领域，修发贤课题组的研究推动这一基础学科领域前进了一大步。该研究成果于北京时间18日在《自然》（Nature）杂志发表。
根据复旦大学新闻文化网显示，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，至今为止已有4个诺贝尔奖与其直接相关。但一百多年来，科学家们的研究仍停留于二维体系，从未涉足三维领域。
修发贤课题组在拓扑半金属砷化镉纳米片中发现，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。这篇题为《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》的论文于18日线上发表于《自然》，其中，修发贤是通讯作者，复旦大学物理博士生张成，复旦校友、康乃尔大学博士后张亿和复旦大学物理博士生袁翔为共同第一作者。
菜市场常常热闹非凡，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，汽车在各自的路线行驶，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。
美国物理学家霍尔早在130多年前就发现，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「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。对此，修发贤表示，「比如说这间屋子，除了上表面、下表面，中间还存在一个空间，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，像是两列在各自轨道上飞奔的火车。」那么，在立体空间中呢？
「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」修发贤及其团队在2016年第一次用高品质的三维砷化镉纳米片观测到量子霍尔效应的时候，就像看到汽车飞到空中那样又惊又喜。他们的这一发现发表在了《自然•通讯》上。
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。对此，修发贤课题组想了一个办法，他们利用楔形样品实现可控的厚度变化，「我们把「房子」放歪了，「房子」内部上下表面的距离就会发生变化。」
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，因此，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。
修发贤表示，「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」。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。
▼三维量子霍尔效应示意动画。（影／澎湃新闻／研究团队提供）