国家自然科学基金委员会,中国科大首次观测到三维量子霍尔效应

量子霍尔效应是否只存在于二维体系?这个基础问题从二维量子霍尔效应发现后不久即引起领域的关注。早在1987年,Bertrand
Halperin从理论上就预言了三维量子霍尔效应的存在和它的测量特征。但要验证这个新奇效应,对材料体系与测量手段的要求都非常高;尽管已有诸多尝试,实验上仍缺乏可信的观测证据。

图2 a. ZrTe5金属绝缘体量子相变的标度行为;b. ZrTe5磁场与温度的电子相图

注:拓扑学是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的学科。它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。拓扑物态指的是一类材料的物理性质可以用拓扑学来理解和刻画。在某些拓扑态中的电子流动可以是没有阻力的。

合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系的乔振华教授与南方科技大学张立源教授、新加坡科技设计大学杨声远教授、美国佛罗里达州立大学的杨昆教授、麻省理工学院的Patrick
A. Lee教授和布鲁海文国家实验室的Genda
Gu教授等理论与实验合作,在碲化锆块体单晶体材料中首次观测到三维量子霍尔效应的明确证据,并指出该效应可能是由于磁场下相互作用产生的电荷密度波诱导的。这一重要研究成果5月9日在线发表在国际权威学术期刊《自然》上。

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自1980年发现量子霍尔效应后,人们把注意力集中在二维体系里。这次在毫米级的宏观尺度上实现了三维量子霍尔效应,补全了霍尔效应家族一个重要的拼图。乔振华教授认为:“丰富多彩的三维体系,将吸引众多学者加入到新型的三维量子物态以及相变领域的研究之中,并为霍尔效应家族的发展提供一个全新的领域和视角。”

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图1 a. ZrTe5的晶格结构;b.
实验测量的费米面形状,该费米面是封闭的,表征该电子体系的三维

在绝缘堆叠的二维拓扑材料中,电子在每层的边界上如同小舟在水中,畅快前行;但是边界与边界之间,能隙的存在如磐石河岸,阻碍了电子在不同层之间的贯通。很多研究实现了让“小舟”可以在不同的“河流”中“快闪”,但是“河流”之间还是处于相互隔绝状态,只能算是二维量子效应的增强版,或者三维量子效应的预备版本。

从八十年代初在二维电子体系中发现至今,量子霍尔效应作为超导之外的另一个著名宏观量子现象在凝聚态物理中催生出了一个越趋活跃的研究领域。其内在本质,是将数学中的拓扑概念引入物理,超越了Landau根据对称性破缺理论对物质分类的传统标准,为近年的拓扑物态与拓扑材料的快速发展奠定了基础。

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从2014年起,南方科技大学张立源团队开始尝试实验研究该体系,希望在拓扑性质研究上有所斩获,却意外发现碲化锆也是研究三维体系的理想材料。2017年初,从事相同方向理论研究的中国科学技术大学乔振华团队与张立源团队开始密切合作,测试分析了难以计数的来自国内外著名研究机构的样品,终于在该三维宏观材料上观测到量子霍尔效应。

《自然》:中国科大首次观测到三维量子霍尔效应

在国家自然科学基金项目(批准号:11874193,11474265)等资助下,南方科技大学物理系张立源研究组、中国科学技术大学物理学院乔振华研究组与新加坡科技设计大学杨声远教授、美国佛罗里达州立大学杨昆教授、麻省理工学院Patrick
A. Lee教授和布鲁海文国家实验室Genda
Gu教授合作在量子霍尔效应研究领域取得重要进展,在五碲化锆块体单晶材料中首次观测到三维量子霍尔效应。该成果以“Three-dimensional
Quantum Hall Effect and Metal–insulator Transition in
ZrTe5”(五碲化锆中的三维量子霍尔效应和金属绝缘体相变)为题,于5月8日在线发表在Nature上,文章链接:

中国科学技术大学乔振华课题组与南方科技大学张立源课题组等合作,经过5年多的努力,首次在毫米级的碲化锆材料上观测到三维量子霍尔效应,研究成果5月9日发表在国际权威期刊《自然》上,引发学术圈的极大关注。美国国家科学院院士文小刚高度评价这一成果:
“这一新的实验发现,给了我们一个新的材料体系,其中也能产生拓扑序。”