2018年12月17日復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢課題組在《自然》雜志上刊發(fā)了他們的研究成果：在拓撲半金屬砷化鉻納米片中觀測到由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應(yīng)。該項研究成果我國科學(xué)家首次在三維空間中發(fā)現(xiàn)量子的霍爾效應(yīng)。

什么是霍爾效應(yīng)

在中學(xué)物理課本我們都學(xué)過霍爾效應(yīng)，它實際上一種電磁效應(yīng)的。我們給一塊半導(dǎo)體通電，在導(dǎo)體外面外加一個與電流方面垂直的磁場，磁場會使半導(dǎo)體中的電子與空穴（可以視為正電荷）受到不同方向的洛倫茲力而在不同方面上聚集，聚集起來的電子和空穴之間會產(chǎn)生電場，此時在半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生了垂直于磁場和電流方向的電壓，而且在此電壓生成的電場力和磁場的洛倫茲力平衡以后，后來的電子和空穴就不在聚集，順利通過不發(fā)生偏移。

這種現(xiàn)象是由美國物理學(xué)家霍爾于1879年研究金屬導(dǎo)電機制的時候發(fā)現(xiàn)的，所以命名為“霍爾效應(yīng)”，且在實際生活中產(chǎn)生了廣泛的應(yīng)用，根據(jù)霍爾效應(yīng)做成的霍爾器件，就是以磁場為工作媒介，將物體的運動參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開關(guān)功能。

如：汽車的點火系統(tǒng)，設(shè)計人員將霍爾傳感器放在分電器內(nèi)取代機械斷電器，用作機械斷電器，用作點火脈沖發(fā)生器。這種霍爾點火發(fā)生器隨著轉(zhuǎn)速變化的磁場在帶電半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生脈沖電壓，控制電控單元的初級電流。相對于機械斷電器而言，霍爾式點火脈沖發(fā)生器無磨損免維護，能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境，同時能夠精確的控制點火，具有明顯的優(yōu)勢。

什么是量子霍爾效應(yīng)（二維）

我們上面所說的霍爾效應(yīng)是在三維的導(dǎo)體中實現(xiàn)的，其中的電子可以在導(dǎo)體中自由運動。現(xiàn)在科學(xué)家通過某些手段將電子限制在一個二維平面內(nèi)，之后添加一個垂直于該平面的磁場，同時沿著二維電子平面一個方向通以電流，此時在二維平面的另一個方向上測量到電壓。這種現(xiàn)象稱為量子霍爾效應(yīng)，屬于量子力學(xué)版的霍爾效應(yīng)。

該現(xiàn)象是由德國物理學(xué)家馮•克利青發(fā)現(xiàn)，并因此獲得1985年的諾貝爾物理學(xué)獎。但是為何在霍爾效應(yīng)提出100年后才有人發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)。主要原因是理想的二維電子氣難以實現(xiàn)，在半導(dǎo)體技術(shù)高速發(fā)展之后，人們才能在“金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管”中實現(xiàn)比較理想的二維電子氣，而且想要觀測到這種現(xiàn)象還需要提供極低溫和強磁場環(huán)境。

量子霍爾效應(yīng)與上一節(jié)提到的霍爾效應(yīng)最大不同之處在于橫向電壓對磁場的響應(yīng)不同。此時橫向電阻（實驗中電流恒定，橫向電阻就相當(dāng)于橫向電壓）與磁場不再呈現(xiàn)線性關(guān)系，而是出現(xiàn)量子化平臺。圖中紅線為橫向電阻隨磁場強度增大而增大，但是在這一過程中形成了若干個橫向電阻不變的平臺。但是在磁場強度很小情況下，橫向電阻與磁場強度成線性關(guān)系。還有一個現(xiàn)象就是量子霍爾效應(yīng)中縱向電阻（綠線）隨磁場變化很奇特，在橫向電阻達到平臺時，縱向電阻為0，而且在磁場很小的情況下，縱向電阻為常數(shù)。

對于二維的量子霍爾效應(yīng)，可以理解為平面內(nèi)部的電子在洛倫茲力的作用下不斷沿著等能面旋轉(zhuǎn)做周期性運動，不參與導(dǎo)電。而在邊緣的電子旋轉(zhuǎn)到一半后，受到邊界的反彈，再次做半圓運動，以這種方式不斷向前運輸，在量子霍爾效應(yīng)中，真正參與導(dǎo)電的實際上是這種邊緣電子，它幾乎不與其他電子碰撞，而是像子彈一樣一顆一顆射向目的地。這種機制產(chǎn)生的電阻與具體的材料性質(zhì)無關(guān)，只與電子本身的性質(zhì)有關(guān)，在磁場很小的情況下會有更多的電子參與運輸，電子越多，橫向電阻就越小。

修發(fā)賢課題組發(fā)現(xiàn)三維量子霍爾效應(yīng)

上面我們提到的量子霍爾效應(yīng)是將電子限制在二維平面內(nèi)，在強大的磁場作用下，電子在平面的邊緣做一維規(guī)則的運動，且測量得到電壓。這些實驗都是在二維體系中進行的。

修發(fā)賢教授打了一個簡單的比喻，在一間屋子里除了上表面和下表面，中間還存在一個空間，現(xiàn)在人們知道，在“天花板”和“地面”上，電子沿著“邊界線”做著有規(guī)則的運動，一列朝前，一列朝后，像是兩列各自軌道上疾馳的列車，那么，立體空間中呢？

修發(fā)賢團發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)在三維空間中同樣存在。2016年10月，他們團隊第一次用高質(zhì)量的三維砷化鉻納米片測量到了量子霍爾效應(yīng)，如同目睹到汽車飛到空中一樣。

但是當(dāng)時對于這個現(xiàn)象他們團隊提出兩種猜想：一種可能的方式是從上表面到下表面的體態(tài)穿越，電子做了垂直運動；另一種可能是電子在上下兩個表面，即在兩個二維體系中，分別獨立形成了量子霍爾效應(yīng)。

于是他們想了一個辦法，創(chuàng)新性利用楔形樣品實現(xiàn)可控厚度變化，如同房頂傾斜了，房子內(nèi)部上下表面的距離就發(fā)生了變化。

通過測量量子霍爾平臺出現(xiàn)的磁場，可以用公式推算出量子霍爾臺階。實驗發(fā)現(xiàn)，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(guān)的縱向運動，其隧穿行為被證明了。

“電子在上表面走四分之一圈，穿越到下表面，完成另外一個四分之一圈后，再穿越回上表面，形成半個閉環(huán)，這個隧穿行為是無耗散的，所以可以保證電子在整個回旋運動中仍然是量子化的。”修發(fā)賢說，整個軌道就是三維的“外爾軌道”，是砷化鎘納米結(jié)構(gòu)中量子霍爾效應(yīng)的來源。

量子霍爾效應(yīng)是20世紀(jì)以來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。而三維量子霍爾效應(yīng)首次被中國科學(xué)家揭開了，修發(fā)賢課題組的發(fā)現(xiàn)為未來三維空間量子化傳輸提供了新思路和試驗基礎(chǔ)，未來將在光電探測、拓撲量子計算、低功率電子器件等方面發(fā)揮重大應(yīng)用價值。