中国科学家发现基于外尔轨道的三维量子霍尔效应

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一百多年来，科学家们对量子霍尔效应的研究一直停留在二维系统中。最近，复旦大学物理系的研究小组观察到拓扑半金属砷化镉纳米片外层轨道形成新的三维量子霍尔效应的直接证据，这是从二维到三维的关键一步。

北京时间12月18日零时，相关研究成果在《自然》网上发布。

美国物理学家霍尔发现，当垂直于电流方向的磁场作用于带电导体时，电子的轨迹会发生偏转，并在导体的纵向产生电压。这种电磁现象被称为“霍尔效应”。如果电子被限制在二维平面内，在强磁场的作用下，电子的运动可以在导体边缘作一维运动，变得“规则”和“有序”。然而，以前的实验已经证明，量子霍尔效应只能发生在二维或准二维系统。

2016年10月，修·法显和他的团队首次用高质量的三维砷化镉纳米片观察了量子霍尔效应。秀·法显这样描述它:“这就像看一辆汽车飞往空.”随后，日本和美国科学家在同一系统中观察到这种效应，但当时电子运动的实际机制尚不清楚。

修·法显的研究小组提出了他们的猜想:一种可能的方法是从物体的上表面到下表面，电子垂直移动；另一种可能性是，电子在上表面和下表面独立地形成量子霍尔效应，即在两个二维系统中。在实验中，面对闪电般的电子运动速度，课题组创新性地使用楔形样品实现了可控的厚度变化。“我们把‘房子’的电子运动，屋顶是倾斜的，房子内部上下表面之间的距离会发生变化。”修·法显说，发现电子在其中的轨道能量直接受样品厚度的影响，这表明电子的运动时间随样品厚度的变化而变化。因此，电子的纵向移动与样品的厚度有关，并且它们的隧穿行为已经被证明。

“电子在上表面走四分之一圈，穿过到下表面，完成另一个四分之一圈，然后穿过回到上表面，形成一个半封闭的环。这种隧穿行为也是非耗散性的，因此是可以保证的。在整个回旋运动中，电子仍然是量子化的。”修·法显说，整个轨道是一个三维的“外轨道”，这是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源。至此，三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开了。

量子霍尔效应被称为20世纪以来凝聚态物理最重要的科学发现之一，迄今已有四次诺贝尔奖与它直接相关。该研究小组表示，三维量子霍尔效应的发现可以为未来进一步的科学研究和探索提供实验依据。

来源：搜狐微门户