量子霍爾領(lǐng)域再現(xiàn)重大突破。

　　北京時(shí)間12月18日0時(shí)，《自然》在線發(fā)表了復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢課題組的最新研究成果，他們發(fā)現(xiàn)了基于外爾軌道的三維量子霍爾效應(yīng)。

　　量子霍爾效應(yīng)是20世紀(jì)以來(lái)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，1985年和1998年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)便出自該領(lǐng)域。

　不過(guò)，自霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的一百多年來(lái)，科學(xué)家們對(duì)它的研究都停留于二維體系，從未涉足三維領(lǐng)域。修發(fā)賢課題組的研究則推動(dòng)這一基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域，又向前進(jìn)了一大步。

　　在三維空間觀測(cè)量子霍爾效應(yīng)

　　霍爾效應(yīng)是美國(guó)物理學(xué)家霍爾在做研究生期間發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)導(dǎo)體、半導(dǎo)體通有電流時(shí)，在垂直于電流方向加上磁場(chǎng)，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)體的縱向方向產(chǎn)生電壓。

　　量子霍爾效應(yīng)是量子力學(xué)版本的霍爾效應(yīng)。但在以往的實(shí)驗(yàn)中，量子霍爾效應(yīng)只會(huì)在二維或者準(zhǔn)二維體系中發(fā)生。

　　“比如說(shuō)這間屋子，除了上表面、下表面，中間還存在一個(gè)空間?！毙薨l(fā)賢形容，這就像在“天花板”或者“地面”上，電子可以沿著“邊界線”有條不紊地做著規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

　　但在三維空間中呢？

　　此前，2016年10月，修發(fā)賢和團(tuán)隊(duì)第一次用高質(zhì)量的三維砷化鎘納米片觀測(cè)到了量子霍爾效應(yīng)。

　　該研究成果發(fā)表在《自然 通訊》后，日本和美國(guó)也有科學(xué)家借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在同樣的體系中觀測(cè)到了這一效應(yīng)。遺憾的是，實(shí)際的電子運(yùn)動(dòng)機(jī)制當(dāng)時(shí)無(wú)法明確。

　　修發(fā)賢課題組此次作出的突破性成就，便是在拓?fù)浒虢饘偕榛k納米片中，首次觀測(cè)到了由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應(yīng)的直接證據(jù)。

　　“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(gè)四分之一圈后，再穿越回上表面，形成半個(gè)閉環(huán)，這個(gè)隧穿行為也是無(wú)耗散的，所以可以保證電子在整個(gè)回旋運(yùn)動(dòng)中仍然是量子化的?！毙薨l(fā)賢告訴澎湃新聞?dòng)浾摺?/p>

　　比喻性地說(shuō)，課題組在特定的材料和條件下，觀測(cè)到了電子可以從“天花板”穿越“房間”到達(dá)“地面”，然后從“地面”再回到“天花板”。

　　北京時(shí)間12月18日0時(shí)，這篇題為《砷化鎘中基于外爾軌道的量子霍爾效應(yīng)》的論文在線發(fā)表于《自然》。修發(fā)賢為通訊作者，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士生張成，復(fù)旦校友、康奈爾大學(xué)博士后張億和復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士生袁翔為共同第一作者。

　　難點(diǎn)在于材料制備和器件測(cè)量

　　這次課題的難點(diǎn)在于材料的制備和器件的測(cè)量。

　　修發(fā)賢介紹，該研究對(duì)材料的要求非常高，必須能夠精確地控制厚度，必須有很高的遷移率。課題組從2014年開(kāi)始生長(zhǎng)這個(gè)材料，經(jīng)過(guò)差不多5年的摸索，可以達(dá)到厚度的可控性(50-100nm)，遷移率達(dá)到10萬(wàn)平方厘米/(伏 秒)。

　　實(shí)驗(yàn)中，修發(fā)賢團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新性地利用楔形樣品，實(shí)現(xiàn)可控的厚度變化，就好像一個(gè)“橫倒的梯形”，“屋頂被傾斜了，房子內(nèi)部上下表面的距離就會(huì)發(fā)生變化。”

　　團(tuán)隊(duì)通過(guò)測(cè)量量子霍爾平臺(tái)出現(xiàn)的磁場(chǎng)，可以用公式推算出量子霍爾臺(tái)階。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電子在其中的運(yùn)動(dòng)軌道能量直接受到樣品厚度的影響。這說(shuō)明，隨著樣品厚度的變化，電子的運(yùn)動(dòng)時(shí)間也在變。

　　就此，電子在做與樣品厚度相關(guān)的縱向運(yùn)動(dòng)，其隧穿行為被證明了。

　　另一個(gè)難點(diǎn)在于測(cè)量必須在極端條件下進(jìn)行。修發(fā)賢介紹，實(shí)驗(yàn)溫度需在幾十毫K ，也就是零下270多度，強(qiáng)磁場(chǎng)達(dá)三十多特斯拉，達(dá)到地磁場(chǎng)的百萬(wàn)倍。

　　修發(fā)賢表示，這次研究體現(xiàn)材料確實(shí)具有高遷移率，電子的傳輸和響應(yīng)很快，未來(lái)可以在紅外探測(cè)、電子自旋方面做一些原型器件。

　　另外，量子霍爾效應(yīng)的研究，對(duì)于低能耗的電子器件研制也有重要意義。

　　修發(fā)賢解釋?zhuān)拖衿?chē)在農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)和高速公路行進(jìn)的不同，如果電子也能按照一定的規(guī)則有序運(yùn)動(dòng)，那么在傳輸過(guò)程中，能量損耗會(huì)大大減少。

　　“發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，對(duì)推動(dòng)物理學(xué)基礎(chǔ)理論發(fā)展，具有極大的推動(dòng)作用?！睆?fù)旦大學(xué)物理學(xué)系黨委書(shū)記蔣最敏告訴澎湃新聞?dòng)浾摺?/p>

　　修發(fā)賢表示，基礎(chǔ)研究領(lǐng)域許多成就，往往不是規(guī)劃來(lái)的，此次研究便屬于自由探索型的基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的現(xiàn)象。