科学家首次观测到三维量子霍尔效应

由中国科学技术大学、中国科学院、美国社会科学院乔振华教授领导的研究小组。南方科技大学张立元教授首次对ZrTe5晶体中的三维量子霍尔效应进行了实验观察。

这项研究发表在《自然》杂志上(“ZrTe5中的三维量子霍尔效应和金属-绝缘体跃迁”)。

在ZrTe5系统中观察到三维量子霍尔效应。(图片来源:王国燕，何聪)

正常情况下，电子沿直线运动——这意味着电流通常沿电压降的方向流动。当磁场作用于垂直于电流的方向时，会对载流子施加横向力，从而产生横向电位差。这种现象就是著名的霍尔效应。

1980年，德国物理学家克劳斯·冯·克里津发现了霍尔效应的量子力学版本。1987年，哈佛大学的伯特兰·哈尔佩林提出了这种三维量子霍尔效应的签名。在三维系统中实现量子霍尔效应的直接策略是将二维拓扑材料逐层叠加。在每一层的边界上，电子可以像水中的一条畅通无阻的船一样向前移动。然而，每个边界之间的能量差距的存在阻碍了电子从一层到另一层的运动。在这种情况下，这样的系统仍然是二维的。

碲化锆(ZrTe5)是一种新型的三维层状材料，具有独特的热电性能和对温度的异常电阻依赖性。2014年以来，张教授的团队一直在研究ZrTe5的拓扑特性，发现ZrTe5是研究三维量子霍尔效应的理想平台。2017年，乔教授的团队开始与张的团队紧密合作。他们把三维量子霍尔效应在体材料上的观察变成了现实。

在本研究中，研究人员发现电子-电子相互作用引起的载流子密度波是三维量子霍尔效应产生的关键因素。在这样一个系统中，电子可以在不同的能带间自由移动，就像船只在浩瀚的海洋中航行一样。

国家科学院院士文晓刚表示:“这一发现为我们提供了一个具有潜在拓扑秩序的新物质体系。”

自1980年量子霍尔效应被发现以来，有关2Df材料的研究受到了极大的关注，导致了霍尔效应家族的出现。成功地观测三维量子霍尔效应就像发现了一块拼图。乔教授相信，将会有更多的学者加入到对新颖的三维量子态和相变的探索中来，从而为霍尔效应家族的发展带来新的见解。

140年前，发现霍尔效应的埃德温·霍尔(Edwin Hall)无法回答经典霍尔效应的作用。但看看今天——经典的霍尔效应已经融入了我们的日常生活。广泛应用于汽车、家电、手机等行业。那么三维量子霍尔效应在未来能做什么呢?让我们拭目以待。