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中国科学家首次观测到三维量子霍尔效应

量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一,至今已有四个诺贝尔奖与其直接相关。但一百多年来,科学家们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系。

为实现这一领域的突破,复旦大学物理学系修发贤带领其课题组在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了从二维到三维的关键一步。相关研究成果于北京时间12月18日零点在线发表于《自然》主刊。

早在130多年前,美国物理学家霍尔就发现,对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场,电子的运动轨迹将发生偏转,在导体的纵向方向产生电压,这个电磁现象就是“霍尔效应”。但以往的实验证明,量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。三维体系中存在量子霍尔效应吗?如果有,电子的运动机制是什么?

为解答这一问题,修发贤团队在一种特殊的材料体系中,也就是拓扑狄拉克半金属砷化镉材料里,观测到三维量子霍尔效应。该效应与传统的二维量子霍尔不同,存在特殊的电子轨道,称为外尔轨道,电子可以从上表面穿越到下表面,然后再回到上表面。

修发贤表示,课题的难点在于材料的制备和器件的测量。首先对材料的要求非常高,必须能够精确的控制厚度,必须有很高的迁移率。课题组从2014年开始生长这个材料,经过差不多5年的摸索,可以达到厚度的可控性(50-100纳米),迁移率达到10万。第二个难点在于,测量必须在极端条件下进行:低温和强磁场。温度在几十毫K(也就是零下270多度),强磁场在三十多特斯拉(地磁场的百万倍)。

“我们的这个研究属于自由探索型的基础研究,在凝聚态物理方面,我们发现了三维量子霍尔效应,可以为今后的进一步科研探索提供一定的实验基础。另外,在应用方面这个材料体系具有非常高的迁移率,电子的传输和响应很快,可以在红外探测、电子自旋方面做一些原型器件。”修发贤说。(黄婕记者王春)

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