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。 迄今為止，已有四項諾貝爾獎與其直接相關(guān)。 然而，三維量子霍爾效應(yīng)一百多年來一直是科學(xué)家心中的神圣之地。 直到去年12月，復(fù)旦大學(xué)物理系修法顯研究組才宣布首次觀測到三維量子霍爾效應(yīng)。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)及其合作團隊在《自然》雜志上發(fā)表論文稱，他們通過實驗驗證了三維量子霍爾效應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)了金屬-絕緣體轉(zhuǎn)換。
電信號和磁信號轉(zhuǎn)換的電橋
此前，科學(xué)家對量子霍爾效應(yīng)的研究僅集中在二維系統(tǒng)，對于三維系統(tǒng)只有無盡的猜測。 修發(fā)賢團隊發(fā)現(xiàn)了三維“外爾軌道”形成的新型三維量子霍爾效應(yīng)的直接證據(jù)，邁出了量子霍爾效應(yīng)從二維到三維的關(guān)鍵一步。
此次，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作研究團隊緊隨其后，進一步證實了三維量子霍爾效應(yīng)，驗證了顯著的拓?fù)浣^緣體現(xiàn)象。
霍爾效應(yīng)是由美國物理學(xué)家E.霍爾于1879年通過實驗發(fā)現(xiàn)的，并以他的名字命名，并傳播到全世界。 其核心理論是，當(dāng)帶電粒子（如電子）在磁場中運動時，會受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進而磁場中的電流也可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 當(dāng)電流通過垂直于外部磁場的半導(dǎo)體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)高中物理電子偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)體兩端積聚電荷，在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電場，電場方向與電流方向和磁場方向垂直。場地。 當(dāng)電場力和洛倫茲力平衡時，載流子不再偏轉(zhuǎn)。 這時，半導(dǎo)體兩端就會形成電位差。 這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。 該電位差也稱為霍爾電位差。
總的來說，霍爾效應(yīng)實際上是電信號和磁信號之間的橋梁。 霍爾傳感器可以在任何將電信號轉(zhuǎn)換為磁信號的地方找到。
這個看似深奧的概念，其實和我們的生活非常貼近：比如，如果我們把霍爾元件放在汽車?yán)铮覀兛梢詼y量發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速和方向位移； 再比如，我們把霍爾元件裝在電動自行車上。 ，可以做成車把，控制電動車的行駛速度。
量子霍爾效應(yīng)保持在二維狀態(tài)
1980年，即發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)100年后，德國青年教師克勞斯·馮·克里青通過理論分析和實驗發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，將霍爾效應(yīng)帶入了量子領(lǐng)域。
馮·克利青發(fā)現(xiàn)，量子霍爾效應(yīng)一般發(fā)生在超低溫、強磁場等極端條件下。 在極端條件下，電子的偏轉(zhuǎn)不再像普通霍爾效應(yīng)一樣，而是變得更加強烈，偏轉(zhuǎn)半徑變得很小高中物理電子偏轉(zhuǎn)，就好像它們繞著導(dǎo)體內(nèi)部的某一點旋轉(zhuǎn)一樣。 也就是說，導(dǎo)體中間的一些電子被“鎖定”了，想要傳導(dǎo)電流就只能走到導(dǎo)體的邊緣。 由于這些發(fā)現(xiàn)，他于 1985 年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
盡管量子霍爾效應(yīng)頻頻獲得諾貝爾獎，但相關(guān)研究僅限于二維量子系統(tǒng)。 畢竟，我們生活在三維空間中。 如果量子霍爾效應(yīng)擴展到三維系統(tǒng)會有什么不同？
驗證三維量子霍爾效應(yīng)的另一種方法
先前實現(xiàn)三維量子霍爾效應(yīng)的思路主要涉及堆疊二維量子系統(tǒng)。 然而，這樣得到的只是準(zhǔn)二維量子霍爾效應(yīng)，并沒有觀察到明顯的量子霍爾電阻和空間中的電子振蕩。
中國科學(xué)家采取了不同的方法并選擇了不同的材料。 修法憲研究組選擇了砷化鎘的楔形納米結(jié)構(gòu)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團隊選擇了碲化鋯的三維晶體。 在這些被認(rèn)為是拓?fù)浣^緣體的三維納米結(jié)構(gòu)中，科學(xué)家們觀察到了類似于二維量子霍爾效應(yīng)的現(xiàn)象，其中一個方向的電阻逐步變化，而另一個方向的電阻則振蕩。 我們在國際上首次實現(xiàn)了三維量子霍爾效應(yīng)的觀測和驗證。
在這項研究中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團隊還對材料的導(dǎo)電性能進行了“大掃描”，得出了金屬-絕緣體轉(zhuǎn)換定律：人們可以通過控制溫度和施加外部電壓來實現(xiàn)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)換。磁場。 這一原理可用于制造“量子磁開關(guān)”等電子元件。 三維量子霍爾效應(yīng)材料中的電子遷移率非常快，電子可以快速傳輸和響應(yīng)。 它們在紅外探測、電子自旋器件等方面具有應(yīng)用前景。第三，三維量子霍爾效應(yīng)由于其量子化的導(dǎo)電特性，還可以應(yīng)用于特殊的載流子傳輸系統(tǒng)。
