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三维量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一

三维量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一,迄今已有四个诺贝尔奖与其直接相关。但是三维量子霍尔效应一百多年来都是科学家们心中的一片圣地,直到去年12月,我国复旦大学物理学系修发贤课题组才公布,人类首次观测到三维量子霍尔效应。

而近日,中国科技大学与其合作团队在《自然》刊登论文表示,他们通过实验验证了三维量子霍尔效应,并发现了金属-绝缘体的转换。

电信号与磁信号转换的桥梁

之前,科学家对于量子霍尔效应的研究仅仅停留于二维体系,而对于三维体系也只有无尽的猜测。修发贤团队发现了由三维“外尔轨道”形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了量子霍尔效应从二维到三维的关键一步。

此次,中国科技大学的合作研究团队紧随其后,进一步证实了三维量子霍尔效应并验证了显著的拓扑绝缘体现象。

霍尔效应由美国物理学家E.霍尔于1879年在实验中发现,以其人名命名并流传于世。其核心理论就是,带电粒子(例如电子)在磁场中运动时会受到洛伦兹力的作用发生偏转,那么在磁场中的电流也有可能发生偏转。当电流垂直于外磁场通过半导体时,载流子发生偏转,在导体两端堆积电荷从而在导体内部产生电场,其方向垂直于电流和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力相平衡时,载流子不再偏转。而此时半导体的两端会形成电势差,这一现象就是霍尔效应,这个电势差也被称为霍尔电势差。

总的来说,霍尔效应其实是电信号与磁信号的桥梁,任何电信号转换为磁信号的地方都可以有霍尔传感器。

这个看似高深的概念,其实和我们的生活很近:比如我们将霍尔元件放在汽车中,可以测量发动机的转速,车轮的转速及方向位移;再比如,将霍尔元件放在电动自行车中,可以做成控制电动车行进速度的转把。

量子霍尔效应停留在二维空间

在霍尔效应发现100年后的1980年,德国青年教师克劳斯·冯·克利青通过理论分析和实验发现了整数量子霍尔效应,将霍尔效应带到了量子的领域。

冯·克利青发现,量子霍尔效应一般都是在超低温和强磁场等极端条件下出现。在极端条件下,电子的偏转不再像普通霍尔效应中一样,而是变得更加剧烈并且偏转半径变得很小,仿佛就在导体内部围绕着某点转圈圈。也就是说,导体中间的部分电子被“锁住了”,要想导通电流只能走导体的边缘。因为这些发现,他在1985年获得诺贝尔物理学奖。

虽然量子霍尔效应是诺贝尔奖的常客,但相关研究仅限于二维量子系统中。毕竟我们生活在三维空间中,如果延伸到三维系统中,量子霍尔效应会有怎样的不同?

另辟蹊径验证三维量子霍尔效应

之前实现三维量子霍尔效应的思路,主要将二维量子系统进行堆叠。但这样得到的只是准二维量子霍尔效应,并没有观测到明显的量子霍尔电阻以及电子在空间的震荡。

我国科学家另辟蹊径,选择了不一样的材料。修发贤课题组选择的是砷化镉楔形纳米结构,中国科技大学团队选择的是碲化锆三维晶体。这些被认为是拓扑绝缘体的三维纳米结构,已有科学家在其中观测到与二维量子霍尔效应类似的现象,即其一个方向的电阻呈现台阶式变化,另一个方向的电阻呈现震荡。而我们分别在世界上首次实现对三维量子霍尔效应的观测和验证。

在这次研究中,中国科技大学团队还将材料的导电特性进行了“大扫描”,得出了金属-绝缘体的转换规律:人们能够通过控制温度和外加磁场实现金属-绝缘体的转化。这种原理可以用来制造“量子磁控开关”等电子元器件。三维量子霍尔效应材料中的电子迁移率都很快,电子能快速传输和响应,在红外探测、电子自旋器件等方面拥有应用前景。再次,三维量子霍尔效应因具有量子化的导电特性,还能应用于特殊的载流子传输系统。

霍尔效应描述了当磁场加载到金属和半导体上时,电力与磁力之间的一种相互关系。近140年来,国际科学界相继发现了霍尔效应和量子霍尔效应。近期,中国科学技术大学乔振华课题组与南方科技大学张立源课题组等合作,首次在毫米级的碲化锆材料上观测到了三维量子霍尔效应。

日前,国际学术期刊《自然》发表了该研究成果。“这一新的实验发现,给了我们一个新的材料体系,其中也能产生拓扑序。”美国国家科学院院士文小刚高度评价说。

1879年,美国科学家埃德温·霍尔在实验中首次发现了“霍尔效应”,这对二极管的发明及半导体行业产生深远影响。1980年,德国科学家冯·克利青首次在二维体系里发现了量子霍尔效应,改变了学界对物态和相变的理解,并把拓扑的概念引入到物理学研究领域,他也因此获得诺贝尔物理学奖。

能否在三维体系中也观测到量子霍尔效应?这对测量条件、材料体系的要求异常苛刻,几十年来,科学界一直未能突破。

碲化锆是一种具有特殊性质的新材料,南方科大张立源团队从2014年起开始研究,意外发现这是一种研究三维体系的理想材料。2017年初,从事相同研究方向的中国科大乔振华团队与张立源团队开始合作,他们测试分析了大量来自国内外科研机构的样品,终于在碲化锆这种三维材料上观测到了量子霍尔效应。

据了解,自从1980年发现量子霍尔效应后,学界把注意力集中在二维体系。这次发现的三维量子霍尔效应,补全了霍尔效应家族的一个重要拼图。

“丰富多彩的三维体系,将吸引众多学者加入到新型的三维量子物态以及相变领域的研究中,并为霍尔效应家族的发展提供一个全新的领域和视角。”乔振华说。

140年前,埃德温·霍尔教授还无法回答经典霍尔效应能做什么。如今,经典霍尔效应已走入大众生活,广泛应用于汽车、家电、手机等产品。三维量子霍尔效应未来会有什么样的应用?科学界将继续寻求答案。

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