量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一。 迄今為止，已有四項諾貝爾獎與其直接相關。 然而，三維量子霍爾效應一百多年來一直是科學家心中的神圣之地。 直到去年12月，復旦大學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。
近日，中國科學技術大學及其合作團隊在《自然》雜志上發表論文稱，他們通過實驗驗證了三維量子霍爾效應，并發現了金屬-絕緣體轉換。
電信號和磁信號轉換的電橋
此前，科學家對量子霍爾效應的研究僅集中在二維系統，對于三維系統只有無盡的猜測。 修發賢團隊發現了三維“外爾軌道”形成的新型三維量子霍爾效應的直接證據，邁出了量子霍爾效應從二維到三維的關鍵一步。
此次，中國科學技術大學合作研究團隊緊隨其后，進一步證實了三維量子霍爾效應，驗證了顯著的拓撲絕緣體現象。
霍爾效應是由美國物理學家E.霍爾于1879年通過實驗發現的，并以他的名字命名，并傳播到全世界。 其核心理論是，當帶電粒子（如電子）在磁場中運動時，會受到洛倫茲力的作用而發生偏轉，進而磁場中的電流也可能發生偏轉。 當電流通過垂直于外部磁場的半導體時，載流子發生偏轉高中物理電子偏轉，在導體兩端積聚電荷，在導體內部產生電場，電場方向與電流方向和磁場方向垂直。場地。 當電場力和洛倫茲力平衡時，載流子不再偏轉。 這時，半導體兩端就會形成電位差。 這種現象就是霍爾效應。 該電位差也稱為霍爾電位差。
總的來說，霍爾效應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里，我們可以測量發動機轉速、車輪轉速和方向位移； 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。
量子霍爾效應保持在二維狀態
1980年，即發現霍爾效應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現了整數量子霍爾效應，將霍爾效應帶入了量子領域。
馮·克利青發現，量子霍爾效應一般發生在超低溫、強磁場等極端條件下。 在極端條件下，電子的偏轉不再像普通霍爾效應一樣，而是變得更加強烈，偏轉半徑變得很小高中物理電子偏轉，就好像它們繞著導體內部的某一點旋轉一樣。 也就是說，導體中間的一些電子被“鎖定”了，想要傳導電流就只能走到導體的邊緣。 由于這些發現，他于 1985 年獲得了諾貝爾物理學獎。
盡管量子霍爾效應頻頻獲得諾貝爾獎，但相關研究僅限于二維量子系統。 畢竟，我們生活在三維空間中。 如果量子霍爾效應擴展到三維系統會有什么不同？
驗證三維量子霍爾效應的另一種方法
先前實現三維量子霍爾效應的思路主要涉及堆疊二維量子系統。 然而，這樣得到的只是準二維量子霍爾效應，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構，中國科學技術大學團隊選擇了碲化鋯的三維晶體。 在這些被認為是拓撲絕緣體的三維納米結構中，科學家們觀察到了類似于二維量子霍爾效應的現象，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了三維量子霍爾效應的觀測和驗證。
在這項研究中，中國科學技術大學團隊還對材料的導電性能進行了“大掃描”，得出了金屬-絕緣體轉換定律：人們可以通過控制溫度和施加外部電壓來實現金屬-絕緣體轉換。磁場。 這一原理可用于制造“量子磁開關”等電子元件。 三維量子霍爾效應材料中的電子遷移率非常快，電子可以快速傳輸和響應。 它們在紅外探測、電子自旋器件等方面具有應用前景。第三，三維量子霍爾效應由于其量子化的導電特性，還可以應用于特殊的載流子傳輸系統。
