中國量子技術再突破！我科學家首次在三維空間發現量子霍爾效應

黃婕 科技日報記者 王春

很多年來，科學家們對量子霍爾效應的研究仍停留於二維體系。為實現這一領域的突破，復旦大學物理學系修發賢帶領其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。相關研究成果於北京時間12月18日零點在線發表於《自然》主刊。

給電子「定規矩」何為量子霍爾效應?

通常，電子在導體中的運動是隨機的。當在導體兩端施加電壓時，電子會在電場作用下做定向運動。如果此時施加一個垂直方向的磁場，導體中的電子會受到洛侖茲力的作用，運動軌跡會發生偏移，電荷在導體材料兩側不斷積累，從而產生霍爾電壓也即「霍爾效應」。

如果將電子限制在二維平面內，在低溫強磁場的極端條件下，導體的邊界上會出現導電通道：邊緣的電子轉圈轉到一半就會遇到邊界，受到反彈，再次做半圓運動，由此不斷前進，最終形成定向運動的一維導電通道，這種效應稱為量子霍爾效應。

靈感源於生活

發現來源於外爾軌道的運動機制

修發賢團隊中有兩員大將，也同為刊發論文的第一作者。其中，張成主要研究拓撲量子材料的輸運特性，袁翔主要從事拓撲量子材料的磁光特性研究。「我們在砷化鎘納米片中看到這一現象時，非常震驚，三維體系裡邊怎麼會出現量子霍爾效應？」很快，修發賢及其團隊將這一發現發表在了《自然·通訊》上，但基於當時的實驗結果，實際的電子運動機制並不明確。於是，課題組決定打破砂鍋問到底。

「我們把『房子』放歪」實驗材料雖小，靈感卻可以從日常生活而來。修發賢課題組想了一個辦法，他們創新性地利用楔形樣品實現可控的厚度變化。「屋頂被傾斜了，房子內部上下表面的距離就會發生變化。」修發賢比划出一個「橫倒的梯形」。

通過測量量子霍爾平台出現的磁場，可以用公式推算出量子霍爾台階。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。這說明，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。」修發賢說，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。

新突破開發全新應用場景

修發賢表示，課題的難點在於材料的製備和器件的測量。首先對材料的要求非常高，必須能夠精確的控制厚度，必須有很高的遷移率。課題組從2014年開始生長這個材料，經過差不多5年的摸索，可以達到厚度的可控性（50-100納米),遷移率達到10萬。第二個難點在於，測量必須在極端條件下進行：低溫和強磁場。溫度在幾十毫K（也就是零下270多度）。強磁場三十多特斯拉（地磁場的百萬倍）。

「我們的這個研究屬於自由探索型的基礎研究，在凝聚態物理方面，我們發現了三維量子霍爾效應，可以為今後的進一步科研探索提供一定的實驗基礎。另外，在應用方面這個材料體系具有非常高的遷移率，電子的傳輸和響應很快，可以在紅外探測、電子自旋方面做一些原型器件。」修發賢表示，這一發現為未來三維空間電子的量子化傳輸提供了新的思路和實驗基礎，在拓撲量子計算及低功耗電子器件方面有潛在的應用價值。

來源：科技日報 文中圖片來自網路

編輯：劉義陽

審核：管晶晶

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！