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

量子霍爾效應(yīng)是20世紀(jì)以來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，但100多年來，科學(xué)家們對(duì)量子霍爾效應(yīng)的研究仍停留于二維體系。

為實(shí)現(xiàn)這一領(lǐng)域的突破，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢帶領(lǐng)其課題組在拓?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。相關(guān)研究成果于北京時(shí)間12月18日零時(shí)在線發(fā)表于《自然》主刊。

早在130多年前，美國物理學(xué)家霍爾就發(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)”。但以往的實(shí)驗(yàn)證明，量子霍爾效應(yīng)只會(huì)在二維或者準(zhǔn)二維體系中發(fā)生。三維體系中存在量子霍爾效應(yīng)嗎?如果有，電子的運(yùn)動(dòng)機(jī)制是什么?

為解答這一問題，修發(fā)賢團(tuán)隊(duì)在一種特殊的材料體系中，也就是拓?fù)涞依税虢饘偕榛k材料里，觀測(cè)到三維量子霍爾效應(yīng)。該效應(yīng)與傳統(tǒng)的二維量子霍爾不同，存在特殊的電子軌道，稱為外爾軌道，電子可以從上表面穿越到下表面，然后再回到上表面。

修發(fā)賢表示，課題的難點(diǎn)在于材料的制備和器件的測(cè)量。首先對(duì)材料的要求非常高，必須能夠精確控制厚度，必須有很高的遷移率。課題組從2014年開始生長(zhǎng)這個(gè)材料，目前可以達(dá)到厚度的可控性(50—100納米)，遷移率達(dá)到10萬。第二個(gè)難點(diǎn)在于，測(cè)量必須在極端條件下進(jìn)行：低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)。溫度在幾十毫K(也就是零下270多攝氏度)，強(qiáng)磁場(chǎng)在30多特斯拉(地磁場(chǎng)的百萬倍)。

“我們的這個(gè)研究屬于自由探索型的基礎(chǔ)研究，在凝聚態(tài)物理方面，我們發(fā)現(xiàn)了三維量子霍爾效應(yīng)，可以為今后的進(jìn)一步科研探索提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。”修發(fā)賢說。

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