第二看臺

　　量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態(tài)物理領域最重要的科學發(fā)現(xiàn)之一，迄今已有四個諾貝爾獎與其直接相關。但是三維量子霍爾效應一百多年來都是科學家們心中的一片圣地，直到去年12月，我國復旦大學物理學系修發(fā)賢課題組才公布，人類首次觀測到三維量子霍爾效應。

　　而近日，中國科技大學與其合作團隊在《自然》刊登論文表示，他們通過實驗驗證了三維量子霍爾效應，并發(fā)現(xiàn)了金屬-絕緣體的轉(zhuǎn)換。

　　電信號與磁信號轉(zhuǎn)換的橋梁

　　之前，科學家對于量子霍爾效應的研究僅僅停留于二維體系，而對于三維體系也只有無盡的猜測。修發(fā)賢團隊發(fā)現(xiàn)了由三維“外爾軌道”形成的新型三維量子霍爾效應的直接證據(jù)，邁出了量子霍爾效應從二維到三維的關鍵一步。

　　此次，中國科技大學的合作研究團隊緊隨其后，進一步證實了三維量子霍爾效應并驗證了顯著的拓撲絕緣體現(xiàn)象。

　　霍爾效應由美國物理學家E.霍爾于1879年在實驗中發(fā)現(xiàn)，以其人名命名并流傳于世。其核心理論就是，帶電粒子（例如電子）在磁場中運動時會受到洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，那么在磁場中的電流也有可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當電流垂直于外磁場通過半導體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在導體兩端堆積電荷從而在導體內(nèi)部產(chǎn)生電場，其方向垂直于電流和磁場的方向。當電場力和洛倫茲力相平衡時，載流子不再偏轉(zhuǎn)。而此時半導體的兩端會形成電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。

　　總的來說，霍爾效應其實是電信號與磁信號的橋梁，任何電信號轉(zhuǎn)換為磁信號的地方都可以有霍爾傳感器。

　　這個看似高深的概念，其實和我們的生活很近：比如我們將霍爾元件放在汽車中，可以測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，車輪的轉(zhuǎn)速及方向位移；再比如，將霍爾元件放在電動自行車中，可以做成控制電動車行進速度的轉(zhuǎn)把。

　　量子霍爾效應停留在二維空間

　　在霍爾效應發(fā)現(xiàn)100年后的1980年，德國青年教師克勞斯·馮·克利青通過理論分析和實驗發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應，將霍爾效應帶到了量子的領域。

　　馮·克利青發(fā)現(xiàn)，量子霍爾效應一般都是在超低溫和強磁場等極端條件下出現(xiàn)。在極端條件下，電子的偏轉(zhuǎn)不再像普通霍爾效應中一樣，而是變得更加劇烈并且偏轉(zhuǎn)半徑變得很小，仿佛就在導體內(nèi)部圍繞著某點轉(zhuǎn)圈圈。也就是說，導體中間的部分電子被“鎖住了”，要想導通電流只能走導體的邊緣。因為這些發(fā)現(xiàn)，他在1985年獲得諾貝爾物理學獎。

　　雖然量子霍爾效應是諾貝爾獎的常客，但相關研究僅限于二維量子系統(tǒng)中。畢竟我們生活在三維空間中，如果延伸到三維系統(tǒng)中，量子霍爾效應會有怎樣的不同？

　　另辟蹊徑驗證三維量子霍爾效應

　　之前實現(xiàn)三維量子霍爾效應的思路，主要將二維量子系統(tǒng)進行堆疊。但這樣得到的只是準二維量子霍爾效應，并沒有觀測到明顯的量子霍爾電阻以及電子在空間的震蕩。

　　我國科學家另辟蹊徑，選擇了不一樣的材料。修發(fā)賢課題組選擇的是砷化鎘楔形納米結(jié)構(gòu)，中國科技大學團隊選擇的是碲化鋯三維晶體。這些被認為是拓撲絕緣體的三維納米結(jié)構(gòu)，已有科學家在其中觀測到與二維量子霍爾效應類似的現(xiàn)象，即其一個方向的電阻呈現(xiàn)臺階式變化，另一個方向的電阻呈現(xiàn)震蕩。而我們分別在世界上首次實現(xiàn)對三維量子霍爾效應的觀測和驗證。

　　在這次研究中，中國科技大學團隊還將材料的導電特性進行了“大掃描”，得出了金屬-絕緣體的轉(zhuǎn)換規(guī)律：人們能夠通過控制溫度和外加磁場實現(xiàn)金屬-絕緣體的轉(zhuǎn)化。這種原理可以用來制造“量子磁控開關”等電子元器件。三維量子霍爾效應材料中的電子遷移率都很快，電子能快速傳輸和響應，在紅外探測、電子自旋器件等方面擁有應用前景。再次，三維量子霍爾效應因具有量子化的導電特性，還能應用于特殊的載流子傳輸系統(tǒng)。