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。 迄今為止，已有四項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)與其直接相關(guān)。 然而，一百多年來(lái)，科學(xué)家對(duì)量子霍爾效應(yīng)的研究一直停留在二維體系中，從未進(jìn)入三維領(lǐng)域。
近日，復(fù)旦大學(xué)物理系修發(fā)賢研究組在該領(lǐng)域率先取得重大突破。 在拓?fù)浒虢饘偕榛k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(yīng)的直接證據(jù)，向前邁出了一步。 從二維到三維的關(guān)鍵一步。
12月17日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于（，DOI：10.1038/-018-0798-3.）。 修發(fā)顯為通訊作者，復(fù)旦大學(xué)物理系博士生張成，復(fù)旦校友、康奈爾大學(xué)博士后張毅霍爾效應(yīng)高中物理，復(fù)旦大學(xué)物理系博士生袁翔，為共同第一作者。
為電子“制定規(guī)則”的三維量子霍爾效應(yīng)真的存在嗎？
農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)常常擠滿了人。 對(duì)于在導(dǎo)體中移動(dòng)的電子來(lái)說(shuō)也是如此。 他們沒(méi)有明確的方向和軌跡。 在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，導(dǎo)體會(huì)發(fā)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(guī)則有序地運(yùn)動(dòng)，那么傳輸過(guò)程中的能量損失就會(huì)大大減少。
早在130多年前，美國(guó)物理學(xué)家霍爾就發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)通電導(dǎo)體施加垂直于電流方向的磁場(chǎng)時(shí)，電子的軌跡會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)體的縱向產(chǎn)生電壓。 這種電磁現(xiàn)象稱為“霍爾”。 如果電子被限制在二維平面內(nèi)，在強(qiáng)磁場(chǎng)的影響下，電子可以在導(dǎo)體邊緣進(jìn)行一維運(yùn)動(dòng)，變得“守規(guī)矩”、“有序”。
但此前的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，量子霍爾效應(yīng)只發(fā)生在二維或準(zhǔn)二維系統(tǒng)中。 “比如，這個(gè)房間里，除了上表面和下表面之外，中間還有一個(gè)空間。” 修法憲用手上下打著手勢(shì)。 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(guī)律地運(yùn)動(dòng)，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(tǒng)中是否存在量子霍爾效應(yīng)？ 如果是的話，電子的運(yùn)動(dòng)機(jī)制是什么？
將“房子”傾斜霍爾效應(yīng)高中物理，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)制源自外爾軌道
“當(dāng)我們?cè)谏榛k納米片中看到這種現(xiàn)象時(shí)，我們非常震驚。量子霍爾效應(yīng)怎么會(huì)出現(xiàn)在三維系統(tǒng)中？” 2016年10月，修發(fā)賢及其團(tuán)隊(duì)首次使用高質(zhì)量的三維納米材料。 當(dāng)砷化鎘納米片觀察到量子霍爾效應(yīng)時(shí)，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(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然通訊》上。 隨后，在樣品制備過(guò)程中，借鑒了修法顯團(tuán)隊(duì)之前發(fā)表的經(jīng)驗(yàn)。 日本和美國(guó)的科學(xué)家也在同一系統(tǒng)中觀察到了這種效應(yīng)。 不幸的是，根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際的電子運(yùn)動(dòng)機(jī)制尚不清楚。
研究團(tuán)隊(duì)提出猜想：一種可能的方式是電子從上表面垂直運(yùn)動(dòng)到下表面； 另一種可能是電子在上下表面之間移動(dòng)，即在兩個(gè)二維系統(tǒng)中移動(dòng)。 ，獨(dú)立形成量子霍爾效應(yīng)。
研究團(tuán)隊(duì)決定打破砂鍋問(wèn)到底。 但面對(duì)千分之一頭發(fā)絲大小的實(shí)驗(yàn)材料和快如閃電的電子，這個(gè)實(shí)驗(yàn)該如何進(jìn)行呢？ 起初，他們不知道如何開始。
“我們把‘房子’放歪了！” 實(shí)驗(yàn)材料雖小，但靈感卻可以來(lái)自日常生活。 修法憲研究團(tuán)隊(duì)想出了一個(gè)辦法。 他們創(chuàng)新性地使用楔形樣品來(lái)實(shí)現(xiàn)可控的厚度變化。 “當(dāng)屋頂傾斜時(shí)，房屋內(nèi)部上表面和下表面之間的距離會(huì)發(fā)生變化。” 修法憲畫了一個(gè)“橫梯形”。
通過(guò)測(cè)量量子霍爾平臺(tái)上出現(xiàn)的磁場(chǎng)，可以使用公式計(jì)算量子霍爾階躍。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(yùn)動(dòng)時(shí)間也會(huì)發(fā)生變化。 因此，電子相對(duì)于樣品的厚度縱向移動(dòng)，并且證明了它們的隧道行為。
“電子在上表面行進(jìn)四分之一圈，穿過(guò)到下表面，再完成四分之一圈后，再行回上表面，形成半閉環(huán)。這種隧道行為也是非耗散的，所以它可以保證電子在整個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中仍然處于量子化狀態(tài)。” 修法憲表示，整個(gè)軌道是一個(gè)三維的“韋爾軌道”，這就是砷化鎘納米結(jié)構(gòu)中量子霍爾效應(yīng)的來(lái)源。
至此，三維量子霍爾效應(yīng)的奧秘終于被揭開。
堅(jiān)持基礎(chǔ)研究，培養(yǎng)未來(lái)科學(xué)家
六年前，修法憲回國(guó)進(jìn)入復(fù)旦大學(xué)物理系。 2014年，在拓?fù)浒虢饘兕I(lǐng)域，修法憲選擇了具有非常好的材料體系的砷化鎘來(lái)“嘗試研究”。 沒(méi)想到，事情“一發(fā)不可收拾”。 從大塊材料，到大薄膜，再到納米結(jié)構(gòu)、納米晶體，修法顯帶領(lǐng)學(xué)生“孜孜不倦”地鉆研這一領(lǐng)域，樂(lè)此不疲。
對(duì)于這一成果的誕生，修法憲覺(jué)得，就砷化鎘的研究而言，這才剛剛開始。 “這是一個(gè)工作，我們第一次提出了一個(gè)新的機(jī)制，也得到了認(rèn)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(xù)做下去。”詳細(xì)。”
修法顯也是一名教師，已培養(yǎng)了九名博士生。 今天是周三，他準(zhǔn)備晚上和學(xué)生們開個(gè)小組會(huì)議，分享他們?cè)谘芯恐械氖斋@和困難，同時(shí)也談?wù)勅粘Ｉ睢?他希望自己的工作不僅能產(chǎn)出好的科研作品，還能通過(guò)研究育人，培養(yǎng)學(xué)生將來(lái)成為獨(dú)立的科學(xué)家。
從一棵“小苗”成長(zhǎng)為一棵“大樹”并不容易，科研進(jìn)階之路也絕非一帆風(fēng)順。
該項(xiàng)目歷時(shí)三年，論文第一作者張成也在實(shí)驗(yàn)室待了三年。 三天內(nèi)可以制作六個(gè)樣品。 如果其中一件質(zhì)量很好，那么您很幸運(yùn)。 然而，該項(xiàng)目至少需要數(shù)十個(gè)可以測(cè)量量化現(xiàn)象的樣本。 這樣一來(lái)，需要制作的樣品就數(shù)不勝數(shù)。 數(shù)量之多，樣品制備所花費(fèi)的時(shí)間和精力可想而知。
樣品制作困難，后續(xù)保存和測(cè)量更是棘手。 為了保證量子霍爾效應(yīng)的出現(xiàn)，材料必須保持極高的電子遷移率，并且不能容忍雜質(zhì)的“混入”。 但這談何容易？ 經(jīng)過(guò)初步測(cè)量后，合適的樣品被帶到世界各地的強(qiáng)磁場(chǎng)中心，在更高的磁場(chǎng)下進(jìn)行電氣測(cè)試。 當(dāng)長(zhǎng)途旅行、辛苦工作時(shí)，必須時(shí)刻小心，防止樣品被氧化。
強(qiáng)磁場(chǎng)中心的實(shí)驗(yàn)條件很好，但可用的實(shí)驗(yàn)時(shí)間可能只有一周。 時(shí)差還沒(méi)有逆轉(zhuǎn)，連續(xù)幾天不間斷的工作必須立即開始。 做實(shí)驗(yàn)不是一個(gè)機(jī)械的、重復(fù)的手動(dòng)過(guò)程。 最新的測(cè)量數(shù)據(jù)出來(lái)后，必須及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)策略和方法，并反復(fù)思考，才能在后續(xù)測(cè)量中獲得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 為了提高效率，實(shí)驗(yàn)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(jué)得值得。 “我也有過(guò)掙扎，但多年來(lái)我一直堅(jiān)持做基礎(chǔ)性、原創(chuàng)性的工作。” 修法憲表示，基礎(chǔ)性、原創(chuàng)性的工作讓他和他的團(tuán)隊(duì)感到興奮。 “三維量子霍爾效應(yīng)從此打上了復(fù)旦的烙印！”
（中國(guó)日?qǐng)?bào)上海分社）
