導讀
2019年5月8日，國際頂級學術刊物《自然》()發表了主要由北方科技學院數學系和中國科學技術學院化學大學共同完成的題為“Three-Hallandmetal-inZrTe5”的研究論文，實驗否認了耶魯學院理論化學學家在1987年給出的關于三維電子氣體系中量子霍爾效應的理論預測。南工大數學系副院長張立源、中國農大院士喬振華和美國技術和設計學院院長楊聲遠為共同通信作者；英國布魯克海文國家實驗室、佛羅里達強磁場實驗室、麻省理工大學、新加坡技術和設計學院為共同參與單位。
在匯聚態化學學中，對于對稱性、相互作用、拓撲性以及維度（或自由度）的理解是永恒的研究課題，也是當前固體化學和元件應用的研究熱點。從1980年開始，量子霍爾效應的發覺開啟了研究數學學中拓撲相變的新時代，也深刻地改變了人們對相變、對稱性和互相作用的理解。近來10年來，拓撲量子物態的相關研究早已成為當前匯聚態化學領域最活躍的課題之一。高品質的ZrTe5晶體具有超高的遷移率、超低氮化物含量和多種珍稀的拓撲能帶特點，成為了研究三維電子氣體系的拓撲量子相變的理想材料之一。
圖1.ZrTe5單晶硅（Tp~95K）的（a）降溫曲線和（b）三維費米面結構。
對于內阻率反常峰（Tp）在95K左右的ZrTe5樣品（圖1.a），張立源課題組通過細致的高溫量子輸運檢測，并結合各個軸向的量子振蕩剖析，得到了十分清晰的費米面拓撲結構（圖1.b）。雖然ZrTe5的費米面存在特別強的各向異性，但其本身閉合的費米面結構依然挺好地說明了體系是屬于完全的三維系統。
課題組在高溫下的輸運檢測中物理實驗 霍爾效應，發覺了特別顯著的量子霍爾平臺（圖2.a）。通過仔細剖析平臺量子化內阻值和樣品長度之間的依賴關系，研究組強調，量子霍爾層的周期恰好為材料z方向費米波長的1/2（圖2.b），這挺好地證明了三維電子氣在磁場調制下產生電荷密度波（CDW）結構的化學圖象。理論模擬三維電子氣在強磁場下的行為，可以清晰看見電子氣產生一層一層的量子層結構（圖2.b插圖）。據悉，z方向的非歐姆性輸運行為也給出了CDW存在的有力證據。
圖2.（a）ZrTe5單晶硅中的三維量子霍爾效應；（b）z方向的CDW周期和費米波長，插圖是三維電子氣在磁場下產生二維導電層的模擬
在體系步入量子極限后，研究組觀測到了極其顯著的金屬絕緣體相變行為（圖3.a）。體系存在一個典型的零溫量子臨界點，為量子相變，并可以畫出體系的電子相圖（圖3.b），這種結果為將來研究三維電子氣中的電子互相作用效應提供了挺好的參考。
圖3.（a）ZrTe5單晶硅中金屬絕緣體相變的標度行為；（b）體系的電子相圖
張立源表示，這項工作的順利舉辦離不開博士生湯方棟、任亞飛，博士后王培培的細致剖析和勤勞工作。另一方面，研究過程中的合作、溝通和討論是必不可少的。現今的科學研究越來越重視團隊合作，單靠一個人的努力是不夠的，許多人在一起各自發揮優勢可以把事情做得更好。張立源說，很辛運能和中國科技學院的喬振華研究組、新加坡技術與設計學院（ofand）的楊聲遠院士、布魯克海文國家實驗室的顧根大研究組、弗羅里達州立學院和法國強磁場中心的楊昆老師以及麻省理工大學的李雅達（ALee）先生一起合作。
可以預見物理實驗 霍爾效應，如同二維量子霍爾效應的發覺造成震驚那樣，此項研究成果將會開辟一個嶄新的三維量子物態的研究領域。值得一提的是，在2019年獲得APSMedalforin時，專門在得獎報告上將其在1987年關于三維量子霍爾效應的理論預言列為自己的終生成就之一。在得悉這次研究團隊的實驗成果后，他向團隊抒發了慶賀和肯定，并贊揚團隊的成果“averynice”。
此項研究工作得到了湖南省創新創業團隊計劃、深圳孔雀團隊、深圳市科創委基礎研究(學科布局)項目基金等專項基金的大力支持。
來源|北方科技學院新聞網