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，一百多年來，科學家對量子霍爾效應的研究一直停留在二維體系中，從未進入三維領域。
近日，復旦大學物理系修發賢研究組在該領域率先取得重大突破。 在拓撲半金屬砷化鎘納米片中觀察到由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應的直接證據，向前邁出了一步。 從二維到三維的關鍵一步。
12月17日，相關研究成果在線發表于（，DOI：10.1038/-018-0798-3.）。 修發顯為通訊作者，復旦大學物理系博士生張成，復旦校友、康奈爾大學博士后張毅霍爾效應高中物理，復旦大學物理系博士生袁翔，為共同第一作者。
為電子“制定規則”的三維量子霍爾效應真的存在嗎？
農貿市場常常擠滿了人。 對于在導體中移動的電子來說也是如此。 他們沒有明確的方向和軌跡。 在運動過程中，導體會發熱并造成能量損失。
但有序的高速公路則不同。 汽車有自己的路線，不能回頭，也不能相撞。 如果電子也能這樣做，按照一定的規則有序地運動，那么傳輸過程中的能量損失就會大大減少。
早在130多年前，美國物理學家霍爾就發現，當對通電導體施加垂直于電流方向的磁場時，電子的軌跡會發生偏轉，在導體的縱向產生電壓。 這種電磁現象稱為“霍爾”。 如果電子被限制在二維平面內，在強磁場的影響下，電子可以在導體邊緣進行一維運動，變得“守規矩”、“有序”。
但此前的實驗已經證明，量子霍爾效應只發生在二維或準二維系統中。 “比如，這個房間里，除了上表面和下表面之外，中間還有一個空間。” 修法憲用手上下打著手勢。 人們知道，在“天花板”或“地面”上，電子可以沿著“邊界線”有序、有規律地運動，一前一后，就像兩列火車在各自的軌道上飛馳。 那么，在三維空間中呢？
三維系統中是否存在量子霍爾效應？ 如果是的話，電子的運動機制是什么？
將“房子”傾斜霍爾效應高中物理，發現運動機制源自外爾軌道
“當我們在砷化鎘納米片中看到這種現象時，我們非常震驚。量子霍爾效應怎么會出現在三維系統中？” 2016年10月，修發賢及其團隊首次使用高質量的三維納米材料。 當砷化鎘納米片觀察到量子霍爾效應時，它們就像看到汽車飛上空中一樣驚訝和高興。
很快，他們的發現發表在《自然通訊》上。 隨后，在樣品制備過程中，借鑒了修法顯團隊之前發表的經驗。 日本和美國的科學家也在同一系統中觀察到了這種效應。 不幸的是，根據當時的實驗結果，實際的電子運動機制尚不清楚。
研究團隊提出猜想：一種可能的方式是電子從上表面垂直運動到下表面； 另一種可能是電子在上下表面之間移動，即在兩個二維系統中移動。 ，獨立形成量子霍爾效應。
研究團隊決定打破砂鍋問到底。 但面對千分之一頭發絲大小的實驗材料和快如閃電的電子，這個實驗該如何進行呢？ 起初，他們不知道如何開始。
“我們把‘房子’放歪了！” 實驗材料雖小，但靈感卻可以來自日常生活。 修法憲研究團隊想出了一個辦法。 他們創新性地使用楔形樣品來實現可控的厚度變化。 “當屋頂傾斜時，房屋內部上表面和下表面之間的距離會發生變化。” 修法憲畫了一個“橫梯形”。
通過測量量子霍爾平臺上出現的磁場，可以使用公式計算量子霍爾階躍。 實驗發現，其中電子的軌道能量直接受到樣品厚度的影響。 這表明，隨著樣品厚度的變化，電子的運動時間也會發生變化。 因此，電子相對于樣品的厚度縱向移動，并且證明了它們的隧道行為。
“電子在上表面行進四分之一圈，穿過到下表面，再完成四分之一圈后，再行回上表面，形成半閉環。這種隧道行為也是非耗散的，所以它可以保證電子在整個回轉運動過程中仍然處于量子化狀態。” 修法憲表示，整個軌道是一個三維的“韋爾軌道”，這就是砷化鎘納米結構中量子霍爾效應的來源。
至此，三維量子霍爾效應的奧秘終于被揭開。
堅持基礎研究，培養未來科學家
六年前，修法憲回國進入復旦大學物理系。 2014年，在拓撲半金屬領域，修法憲選擇了具有非常好的材料體系的砷化鎘來“嘗試研究”。 沒想到，事情“一發不可收拾”。 從大塊材料，到大薄膜，再到納米結構、納米晶體，修法顯帶領學生“孜孜不倦”地鉆研這一領域，樂此不疲。
對于這一成果的誕生，修法憲覺得，就砷化鎘的研究而言，這才剛剛開始。 “這是一個工作，我們第一次提出了一個新的機制，也得到了認可。但是還有一些東西可以深入探索，還有更具體的東西，我想繼續做下去。”詳細。”
修法顯也是一名教師，已培養了九名博士生。 今天是周三，他準備晚上和學生們開個小組會議，分享他們在研究中的收獲和困難，同時也談談日常生活。 他希望自己的工作不僅能產出好的科研作品，還能通過研究育人，培養學生將來成為獨立的科學家。
從一棵“小苗”成長為一棵“大樹”并不容易，科研進階之路也絕非一帆風順。
該項目歷時三年，論文第一作者張成也在實驗室待了三年。 三天內可以制作六個樣品。 如果其中一件質量很好，那么您很幸運。 然而，該項目至少需要數十個可以測量量化現象的樣本。 這樣一來，需要制作的樣品就數不勝數。 數量之多，樣品制備所花費的時間和精力可想而知。
樣品制作困難，后續保存和測量更是棘手。 為了保證量子霍爾效應的出現，材料必須保持極高的電子遷移率，并且不能容忍雜質的“混入”。 但這談何容易？ 經過初步測量后，合適的樣品被帶到世界各地的強磁場中心，在更高的磁場下進行電氣測試。 當長途旅行、辛苦工作時，必須時刻小心，防止樣品被氧化。
強磁場中心的實驗條件很好，但可用的實驗時間可能只有一周。 時差還沒有逆轉，連續幾天不間斷的工作必須立即開始。 做實驗不是一個機械的、重復的手動過程。 最新的測量數據出來后，必須及時調整實驗策略和方法，并反復思考，才能在后續測量中獲得理想的實驗結果。 為了提高效率，實驗間隙，張成和袁翔總是帶上睡袋，直接在隔壁辦公室休息。
雖然辛苦了很多，但大家都覺得值得。 “我也有過掙扎，但多年來我一直堅持做基礎性、原創性的工作。” 修法憲表示，基礎性、原創性的工作讓他和他的團隊感到興奮。 “三維量子霍爾效應從此打上了復旦的烙印！”
（中國日報上海分社）
