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

據(jù)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：中國(guó)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(jí)的碲化鋯材料上觀測(cè)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(chǎng)加載到金屬和半導(dǎo)體上時(shí)，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(duì)半導(dǎo)體行業(yè)意義深遠(yuǎn)，因?yàn)樗嵌O管發(fā)明的重要前提。1980年，德國(guó)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(duì)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(cè)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(cè)量特征。然而，要觀測(cè)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(duì)測(cè)量磁場(chǎng)條件或材料體系的要求異?？量?，幾十年來(lái)，科學(xué)界一直未有確鑿的觀測(cè)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(duì)溫度的依賴關(guān)系。近年來(lái)，全世界眾多實(shí)驗(yàn)室在制備該材料，并希望通過(guò)多種不同手段進(jìn)行探測(cè)確定其物理特性。從2014年起，張立源團(tuán)隊(duì)開(kāi)始嘗試實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)與張立源團(tuán)隊(duì)開(kāi)始密切合作，測(cè)試分析了難以計(jì)數(shù)的樣品，終于在該三維宏觀材料上觀測(cè)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(chǎng)效應(yīng)，在層狀碲化鋯材料中，電子在面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形成朗道能級(jí)（即圖中上方圓圈所示）。在僅有一個(gè)Landau能級(jí)被占據(jù)的量子極限下，更強(qiáng)的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)致電荷密度波的形成，并進(jìn)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(wú)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(duì)于三維體系，由于沿著磁場(chǎng)方向的電子運(yùn)動(dòng)不受磁場(chǎng)影響，一個(gè)初始的金屬態(tài)在弱電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)下是無(wú)法變成絕緣體的。而當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入僅有一個(gè)Landau能級(jí)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(qiáng)，導(dǎo)致費(fèi)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(chǎng)方向以一定的周期振蕩，整個(gè)體系轉(zhuǎn)化為三維量子霍爾絕緣體。]

此次在毫米級(jí)的宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)三維量子霍爾效應(yīng)，補(bǔ)全了霍爾效應(yīng)家族一個(gè)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(guó)國(guó)家科學(xué)院院士文小剛對(duì)該發(fā)現(xiàn)給予高度評(píng)價(jià)：“給了我們一個(gè)新的材料體系，其中也能產(chǎn)生拓?fù)湫??！?/span>