量子霍爾領域再現(xiàn)重大突破。
北京時間12月18日0時，《自然》在線發(fā)表了復旦大學物理學系修發(fā)賢課題組的最新研究成果，他們發(fā)現(xiàn)了基于外爾軌道的三維量子霍爾效應。
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)之一，1985年和1998年的諾貝爾物理學獎便出自該領域。
不過，自霍爾效應發(fā)現(xiàn)的一百多年來，科學家們對它的研究都停留于二維體系，從未涉足三維領域。修發(fā)賢課題組的研究則推動這一基礎學科領域，又向前進了一大步。
在三維空間觀測量子霍爾效應
霍爾效應是美國物理學家霍爾在做研究生期間發(fā)現(xiàn)的。當導體、半導體通有電流時，在垂直于電流方向加上磁場，電子的運動軌跡將發(fā)生偏轉，在導體的縱向方向產生電壓。
量子霍爾效應是量子力學版本的霍爾效應。但在以往的實驗中，量子霍爾效應只會在二維或者準二維體系中發(fā)生。
“比如說這間屋子，除了上表面、下表面，中間還存在一個空間。”修發(fā)賢形容，這就像在“天花板”或者“地面”上，電子可以沿著“邊界線”有條不紊地做著規(guī)則運動。
但在三維空間中呢？
此前，2016年10月，修發(fā)賢和團隊第一次用高質量的三維砷化鎘納米片觀測到了量子霍爾效應。
該研究成果發(fā)表在《自然 通訊》后，日本和美國也有科學家借鑒相關經驗，在同樣的體系中觀測到了這一效應。遺憾的是，實際的電子運動機制當時無法明確。
修發(fā)賢課題組此次作出的突破性成就，便是在拓撲半金屬砷化鎘納米片中，首次觀測到了由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應的直接證據(jù)。
“電子在上表面走一段四分之一圈，穿越到下表面，完成另外一個四分之一圈后，再穿越回上表面，形成半個閉環(huán)，這個隧穿行為也是無耗散的，所以可以保證電子在整個回旋運動中仍然是量子化的?！毙薨l(fā)賢告訴澎湃新聞記者。
比喻性地說，課題組在特定的材料和條件下，觀測到了電子可以從“天花板”穿越“房間”到達“地面”，然后從“地面”再回到“天花板”。
北京時間12月18日0時，這篇題為《砷化鎘中基于外爾軌道的量子霍爾效應》的論文在線發(fā)表于《自然》。修發(fā)賢為通訊作者，復旦大學物理學系博士生張成，復旦校友、康奈爾大學博士后張億和復旦大學物理學系博士生袁翔為共同第一作者。
難點在于材料制備和器件測量
這次課題的難點在于材料的制備和器件的測量。
修發(fā)賢介紹，該研究對材料的要求非常高，必須能夠精確地控制厚度，必須有很高的遷移率。課題組從2014年開始生長這個材料，經過差不多5年的摸索，可以達到厚度的可控性(50-100nm)，遷移率達到10萬平方厘米/(伏 秒)。
實驗中，修發(fā)賢團隊還創(chuàng)新性地利用楔形樣品，實現(xiàn)可控的厚度變化，就好像一個“橫倒的梯形”，“屋頂被傾斜了，房子內部上下表面的距離就會發(fā)生變化。”
團隊通過測量量子霍爾平臺出現(xiàn)的磁場，可以用公式推算出量子霍爾臺階。實驗發(fā)現(xiàn)，電子在其中的運動軌道能量直接受到樣品厚度的影響。這說明，隨著樣品厚度的變化，電子的運動時間也在變。
就此，電子在做與樣品厚度相關的縱向運動，其隧穿行為被證明了。
另一個難點在于測量必須在極端條件下進行。修發(fā)賢介紹，實驗溫度需在幾十毫K ，也就是零下270多度，強磁場達三十多特斯拉，達到地磁場的百萬倍。
修發(fā)賢表示，這次研究體現(xiàn)材料確實具有高遷移率，電子的傳輸和響應很快，未來可以在紅外探測、電子自旋方面做一些原型器件。
另外，量子霍爾效應的研究，對于低能耗的電子器件研制也有重要意義。
修發(fā)賢解釋，就像汽車在農貿市場和高速公路行進的不同，如果電子也能按照一定的規(guī)則有序運動，那么在傳輸過程中，能量損耗會大大減少。
“發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，對推動物理學基礎理論發(fā)展，具有極大的推動作用。”復旦大學物理學系黨委書記蔣最敏告訴澎湃新聞記者。
修發(fā)賢表示，基礎研究領域許多成就，往往不是規(guī)劃來的，此次研究便屬于自由探索型的基礎研究，發(fā)現(xiàn)了一個新的現(xiàn)象。
