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在碲化锆体系中观测到三维量子霍尔效应（设计：王国燕、何聪） 据《中国科学报》：中国科学技术大学乔振华课题组与南方科技大学张立源课题组等合作，首次在毫米级的碲化锆材料上观测到三维量子霍尔效应，其研究成果日前发表在《自然》上。 霍尔效应描述了当磁场加载到金属和半导体上时，电力与磁力之间的一种相互关系。1879年发现的霍尔效应这一基础理论对半导体行业意义深远，因为它是二极管发明的重要前提。1980年，德国科学家冯·克利青首次在二维体系里发现了量子霍尔效应，改变了传统学界对物态和相变的理解，并把拓扑概念引入到物理学研究中。 能否在三维体系中也观测到量子霍尔效应？1987年，哈佛大学教授伯特兰·霍尔珀林（Bertrand Halperin）从理论上预言了三维体系存在量子霍尔效应，并给出了它的测量特征。然而，要观测到三维量子霍尔效应，必须把电子态调控到量子极限区域，这对测量磁场条件或材料体系的要求异常苛刻，几十年来，科学界一直未有确凿的观测证据。 碲化锆是一种三维层状结构的新型材料，具有特殊的热电性质和反常的电阻对温度的依赖关系。近年来，全世界众多实验室在制备该材料，并希望通过多种不同手段进行探测确定其物理特性。从2014年起，张立源团队开始尝试实验研究该体系，希望在拓扑性质研究上有所收获，却意外发现碲化锆是研究三维体系的理想材料。2017年初，从事相同方向理论研究的乔振华团队与张立源团队开始密切合作，测试分析了难以计数的样品，终于在该三维宏观材料上观测到量子霍尔效应。 [科研人员称题图为“三维量子霍尔效应及电荷密度波示意图”。他们表示，由于磁场效应，在层状碲化锆材料中，电子在面内的运动形成朗道能级（即图中上方圆圈所示）。在仅有一个Landau能级被占据的量子极限下，更强的电子关联效应导致电荷密度波的形成，并进而使得体系转化为三维量子霍尔绝缘体。产生该效应的关键是电子之间的关联作用导致电荷密度波的形成。无论二维还是三维量子霍尔效应，系统的体相都必须是绝缘的。对于三维体系，由于沿着磁场方向的电子运动不受磁场影响，一个初始的金属态在弱电子关联效应下是无法变成绝缘体的。而当系统进入仅有一个Landau能级被占据的量子极限区域，电子之间的关联效应大大增强，导致费米面的不稳定。其结果是形成了一种奇特的量子态—电荷密度波，即电子的密度沿着磁场方向以一定的周期振荡，整个体系转化为三维量子霍尔绝缘体。] 此次在毫米级的宏观尺度上实现三维量子霍尔效应，补全了霍尔效应家族一个重要拼图。丰富多彩的三维体系，将为霍尔效应家族的发展提供全新的领域和视角。美国国家科学院院士文小刚对该发现给予高度评价：“给了我们一个新的材料体系，其中也能产生拓扑序。” |
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