在碲化鋯體系中觀測到三維量子霍爾效應(yīng)（設(shè)計：王國燕、何聰）

據(jù)《中國科學(xué)報》：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)喬振華課題組與南方科技大學(xué)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(yīng)，其研究成果日前發(fā)表在《自然》上。

霍爾效應(yīng)描述了當(dāng)磁場加載到金屬和半導(dǎo)體上時，電力與磁力之間的一種相互關(guān)系。1879年發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)這一基礎(chǔ)理論對半導(dǎo)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(xué)家馮·克利青首次在二維體系里發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)，改變了傳統(tǒng)學(xué)界對物態(tài)和相變的理解，并把拓?fù)涓拍钜氲轿锢韺W(xué)研究中。

能否在三維體系中也觀測到量子霍爾效應(yīng)？1987年，哈佛大學(xué)教授伯特蘭·霍爾珀林（Bertrand Halperin）從理論上預(yù)言了三維體系存在量子霍爾效應(yīng)，并給出了它的測量特征。然而，要觀測到三維量子霍爾效應(yīng)，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常苛刻，幾十年來，科學(xué)界一直未有確鑿的觀測證據(jù)。

碲化鋯是一種三維層狀結(jié)構(gòu)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(guān)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?fù)湫再|(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(yīng)。

[科研人員稱題圖為“三維量子霍爾效應(yīng)及電荷密度波示意圖”。他們表示，由于磁場效應(yīng)，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(guān)聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)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(yīng)的關(guān)鍵是電子之間的關(guān)聯(lián)作用導(dǎo)致電荷密度波的形成。無論二維還是三維量子霍爾效應(yīng)，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(guān)聯(lián)效應(yīng)下是無法變成絕緣體的。而當(dāng)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(guān)聯(lián)效應(yīng)大大增強，導(dǎo)致費米面的不穩(wěn)定。其結(jié)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(yīng)，補全了霍爾效應(yīng)家族一個重要拼圖。豐富多彩的三維體系，將為霍爾效應(yīng)家族的發(fā)展提供全新的領(lǐng)域和視角。美國國家科學(xué)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?fù)湫??！?/span>