從20世紀80年代初在二維電子體系中被發覺至今，量子霍爾效應作為超導之外的另一個知名宏觀量子現象在匯聚態化學中催生出了一個越趨活躍的研究領域。其內在本質，是將物理中的拓撲概念引入數學，趕超了按照對稱性破缺理論對物質分類的傳統標準，為近些年的拓撲物態與拓撲材料的快速發展奠定了基礎。
量子霍爾效應是否只存在于二維體系？這個基礎問題從二維量子霍爾效應發覺后不久即造成領域的關注。早在1987年，從理論上就預言了三維量子霍爾效應的存在和它的檢測特點。但要驗證這個新奇效應，對材料體系與檢測手段的要求都十分高；雖然已有眾多嘗試，實驗上仍欠缺可信的觀測證據。
中國科學技術學院淮安微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心（ICQD）和化學系院長喬振華與北方科技學院院長張立源、新加坡科技設計學院院長楊聲遠、美國佛羅里成都立學院院長楊昆、麻省理工大學院士A.Lee以及布魯海文國家實驗室院士GendaGu等進行理論與實驗合作，在碲化鋯（ZrTe5）塊體單晶體材料中首次觀測到三維量子霍爾效應的明晰證據，并強調該效應可能是因為磁場下互相作用形成的電荷密度波誘導的。這一研究成果5月9日在線發表在國際學術刊物《自然》上。
在層狀碲化鋯材料中，垂直磁場的出現促使體內電子在垂直磁場的平面中產生朗道基態，如圖1正上方的圓圈所示；而在側邊界，存在手性傳輸的電壓。在垂直磁場的平面內，邊界電子產生雙向傳輸的邊沿態，如圖1最下層的側邊所示。形成該效應的關鍵是電子之間的關聯作用造成電荷密度波的產生。無論二維還是三維量子霍爾效應，系統的體相都必須是絕緣的。對于三維體系，因為順著磁場方向的電子運動不受磁場影響，一個初始的金屬態在弱電子關聯效應下是難以弄成絕緣體的。而當系統步入僅有一個基態被搶占的量子極限區域，電子之間的關聯效應大大提高，造成費米面的不穩定。其結果是產生了一種獨特的量子態—電荷密度波，即電子的密度順著磁場方向以一定的周期振蕩，整個體系轉化為三維量子霍爾絕緣體。
碲化鋯是一種各向異性較強的三維層狀材料三維量子霍爾效應，如圖2（a）所示。碲原子和鋯原子順著x方向產生一維原子鏈，該原子鏈順著y方向堆疊為一層，xy面內的原子層再順著z方向堆疊成為體材料。費米面的形狀雖然存在各向異性，但還是一個封閉的橢球面，如圖2（b）所示三維量子霍爾效應，所以整個體系仍為三維系統。
當順著z方向施加磁場時，該研究團隊在實驗上觀測到一系列內阻振蕩。尤其重要的是，當體系步入量子極限區域時，橫向內阻為零，而霍爾阻值的數值和z方向的費米波矢相關聯，如圖2（c）所示。這一獨特行為，與在1987年預言的三維量子霍爾效應的特點完全一致。
綜上所述，這一工作總算將經歷了30余年等待的三維量子霍爾效應這一預言詮釋于世人面前。在這個效應中，因為維度的不同，現象背后的微觀化學機制也突顯其新穎與迷人的方面。該發覺有望為未來的匯聚態化學的發展注入新的活力。
張立源、喬振華和楊聲遠為論文的共同通信作者；北方科技學院博士生湯方棟和中國農大化學系博士生任亞飛為共同第一作者。
上述研究得到國家自然科學基金委、科技部、中組部、中科院和廣東省的捐助。
圖1：三維量子霍爾效應及電荷密度波示意圖。因為磁場效應，體內電子在面內的運動產生朗道基態，如上方圓圈所示。在僅有一個基態被搶占的量子極限下，更強的電子關聯效應造成電荷密度波的產生，并借以促使體系轉化為三維量子霍爾絕緣體。
圖2：a:ZrTe5的晶格結構。b：實驗檢測的費米面形狀。該費米面是封閉的，表征該電子體系的三維特點。c:三維量子霍爾現象。
