中國科學家發現基於外爾軌道的三維量子霍爾效應

新華社上海12月19日電（記者 吳振東、仇逸）一百多年來，科學家對量子霍爾效應的研究仍停留于二維體系。近日，復旦大學物理學系修發賢課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片中觀測到了由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應的直接證據，邁出了從二維到三維的關鍵一步。

北京時間12月18日零時，相關研究成果在線發表于《自然》（Nature）。

美國物理學家霍爾發現，對通電的導體加上垂直于電流方向的磁場，電子的運動軌跡將發生偏轉，在導體的縱向方向産生電壓，這個電磁現象就是“霍爾效應”。如果將電子限制在二維平面內，在強大磁場作用下，電子的運動可以在導體邊緣做一維運動，變得“講規則”“守秩序”。但以往實驗證明，量子霍爾效應只會在二維或準二維體系中發生。

2016年10月，修發賢及其團隊第一次用高質量的三維砷化鎘納米片觀測到了量子霍爾效應，修發賢形容：“就像是目睹汽車飛到空中那樣又驚又喜。”隨後，日本和美國科學家在同樣的體系中觀測到這一效應，但實際的電子運動機制在當時並不明確。

修發賢課題組提出了他們的猜想：一種可能的方式是從上表面到下表面的體態穿越，電子做了垂直運動；另一種可能是電子在上下兩個表面，即在兩個二維體系中，分別獨立形成了量子霍爾效應。在實驗中，面對快如閃電的電子運動速度，課題組創新性地利用楔形樣品實現可控的厚度變化。“我們把電子運動的‘房子’放歪了，屋頂被傾斜了，房子內部上下表面的距離就會發生變化。”修發賢説，實驗發現，電子在其中的運動軌道能量直接受到樣品厚度的影響，這説明隨著樣品厚度的變化，電子的運動時間也在變。所以，電子在做與樣品厚度相關的縱向運動，其隧穿行為被證明了。

“電子在上表面走一段四分之一圈，穿越到下表面，完成另外一個四分之一圈後，再穿越回上表面，形成半個閉環，這個隧穿行為也是無耗散的，所以可以保證電子在整個迴旋運動中仍然是量子化的。”修發賢説，整個軌道就是三維的“外爾軌道”，是砷化鎘納米結構中量子霍爾效應的來源。至此，三維量子霍爾效應的奧秘終於被揭開。

量子霍爾效應被稱作是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一，迄今已有4個諾貝爾獎與其直接相關。課題組表示，三維量子霍爾效應的發現，能夠為將來進一步的科研探索提供實驗基礎。