發現三維量子霍爾效應

王晉嵐

[本刊訊]復旦大學物理學系修發賢課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片中觀測到了由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應的直接證據。2018年12月17日，相關研究成果在線發表于Nature。

量子霍爾效應是凝聚態物理領域最重要的科學發現之一。長期以來，人們對量子霍爾效應的研究仍停留于二維體系，從未涉足三維領域。修發賢課題組首先實現重大突破，邁出了量子霍爾效應從二維到三維的關鍵一步。

之前，修發賢及合作團隊在高質量三維砷化鎘納米片中首次觀測到了量子霍爾效應，相關研究成果于2017年11月2日發表在NatureCommunications上。但基于當時的實驗結果，實際的電子運動機制并不明確。研究團隊提出猜想：一種可能的方式是從上表面到下表面的體態穿越;另一種可能是電子在上下兩個表面，即在兩個二維體系中，分別獨立形成量子霍爾效應。

經過不斷思考、探索，研究團隊創新性地利用楔形樣品實現了可控的厚度變化。實驗發現，電子的運動軌道能量直接受到樣品厚度的影響，表明隨著樣品厚度的變化，電子的運動時間也在變。電子在做與樣品厚度相關的縱向運動，其隧穿行為得到了證實。