霍爾效應描述了當磁場加載到導體上時，帶電粒子在電與磁的合力之下的運動規律。1879年發現的霍爾效應這一基礎理論對半導體行業意義深遠，因為它是二極管被發明出來的重要前提。1980年，德國科學家馮·克利青首次在二維體系裡發現了量子霍爾效應，改變了傳統學界對物態和相變的理解，並把拓撲的概念引入到物理學研究裡，量子霍爾效應也成了學術界的寵兒。
能否在三維體系中也觀測到量子霍爾效應呢？1987年，哈佛大學伯特蘭?霍爾珀林教授從理論上預言了三維體系存在量子霍爾效應，並給出了它的測量特徵。國際學界將這種現象稱為“三維量子霍爾效應”。然而要觀測到三維量子霍爾效應，必須把電子態調控到量子極限區域，這對測量磁場條件或材料體系的要求異常苛刻，幾十年來，科學界一直未有確鑿的觀測證據。
中國科學技術大學喬振華課題組與南方科技大學張立源課題組等合作，經過5年多的努力，首次在毫米級的碲化鋯材料上觀測到三維量子霍爾效應，研究成果5月9日發表在國際權威期刊《自然》上，引發學術圈的極大關注。美國國家科學院院士文小剛高度評價這一成果： “這一新的實驗發現，給了我們一個新的材料體系，其中也能產生拓撲序。”
圖一：在絕緣堆疊的二維拓撲材料中，電子在每層的邊界上如同小舟在水中，暢快前行；但是邊界與邊界之間，能隙的存在如磐石河岸，阻礙了電子在不同層之間的貫通。很多研究實現了讓“小舟”可以在不同的“河流”中“快閃”，但是“河流”之間還是處於相互隔絕狀態，只能算是二維量子效應的增強版，或者三維量子效應的預備版本。（美術：崔劼）
圖二：該項研究發現由於電子相互作用導致的電荷密度波，使得電子小舟可以徜徉在寬廣的能帶大河之中，真正實現了三維量子霍爾效應。（美術：崔劼）
碲化鋯是一種三維層狀結構的新型材料，具有特殊的熱電性質和反常的電阻對溫度的依賴關係，在上世紀被廣泛關注。近年來，全世界多個實驗室各自製備該材料，並通過多種不同的手段進行探測，希望確定其物理特性。
圖三：在碲化鋯體系中觀測到三維量子霍爾效應。（設計：王國燕、何聰）
從2014年起，南方科技大學張立源團隊開始嘗試實驗研究該體系，希望在拓撲性質研究上有所斬獲，卻意外發現碲化鋯也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中國科學技術大學喬振華團隊與張立源團隊開始密切合作，測試分析了難以計數的來自國內外著名研究機構的樣品，終於在該三維宏觀材料上觀測到量子霍爾效應。
自1980年發現量子霍爾效應後，人們把注意力集中在二維體系裡。這次在毫米級的宏觀尺度上實現了三維量子霍爾效應，補全了霍爾效應家族一個重要的拚圖。喬振華教授認為：“豐富多彩的三維體系，將吸引眾多學者加入到新型的三維量子物態以及相變領域的研究之中，並為霍爾效應家族的發展提供一個全新的領域和視角。”
140年前的埃德溫·霍爾無法回答經典霍爾效應能做什麽。但今天，經典霍爾效應已經融入了我們日常生活中，廣泛應用於汽車、家電、手機等行業。那麽三維量子霍爾效應未來有什麽樣的應用，讓我們拭目以待。
稿源：中國科大新聞中心
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