登上《自然》！我国科学家首次验证三维量子霍尔效应

霍尔效应描述了当磁场作用于导体时，带电粒子在电和磁的合力下的运动。1879年发现的霍尔效应的基本理论对半导体工业具有深远的意义，因为它是发明二极管的重要前提。1980年，德国科学家冯·克利钦首次在二维系统中发现了量子霍尔效应，改变了对物质状态和相变的传统学术理解，并将拓扑学的概念引入物理研究。量子霍尔效应也成为学术界的宠儿。

在三维系统中能观察到量子霍尔效应吗？1987年，哈佛大学的贝特朗·哈尔佩林教授从理论上预言了三维系统中量子霍尔效应的存在，并给出了它的测量特性。国际学者称这种现象为“三维量子霍尔效应”。然而，为了观察三维量子霍尔效应，必须将电子态控制在量子极限区域，这对于测量磁场条件或材料系统是极其苛刻的。几十年来，科学界一直没有确凿的观察证据。

中国科技大学乔振华课题组与中国南方科技大学张力元课题组进行了合作。经过五年多的努力，三维量子霍尔效应首次在毫米碲化锆材料上被观测到。该研究成果于5月9日发表在国际权威期刊《自然》上，引起了学术界的极大关注。国家科学院院士温小刚对此成果给予了高度评价:“这个新的实验发现给了我们一个新的物质系统，在这个系统中，拓扑序列也可以生成。”

图1:在具有绝缘叠层的二维拓扑材料中，电子在水中像船一样在每一层的边界上*前进。然而，边界之间能量间隙的存在就像岩石的堤岸，阻碍了电子在不同层之间的渗透。许多研究已经认识到，“船”可以在不同的“河流”中“闪光”，但是“河流”仍然是彼此隔离的，并且只能被视为二维量子效应的增强版本或者三维量子效应的初步版本。(艺术:崔桥)

图2:研究发现，电子相互作用产生的电荷密度波使电子船在一条宽的能带河流中漫游，真正实现了三维量子霍尔效应。(艺术:崔桥)

碲化锆是一种具有三维层状结构的新材料，具有特殊的热电特性和电阻对温度的异常依赖性。它在上个世纪受到了广泛关注。近年来，世界各地的许多实验室已经单独制备了这种材料，并通过各种手段对其进行了检测，希望能够确定其物理特性。

图3:在碲化锆系统中观察到的三维量子霍尔效应。(设计:王、何聪)

从2014年开始，中国南方科技大学张力元的团队开始尝试对该系统进行实验研究，希望在拓扑性质的研究上取得一些成果。然而，意外地发现碲化锆也是研究三维系统的理想材料。2017年初，从事同一方向理论研究的乔振华团队和张力元团队开始紧密合作，对来自国内外著名研究机构的无数样品进行测试和分析，最终观察到三维宏观材料的量子霍尔效应。

自从1980年发现量子霍尔效应以来，人们就一直关注二维系统。这一次，三维量子霍尔效应已经在毫米的宏观尺度上实现，完成了霍尔效应家族的一个重要难题。乔振华教授认为:“丰富多彩的三维体系将吸引许多学者加入到新的三维量子态和相变的研究中，为霍尔效应家族的发展提供一个新的领域和视角。”

140年前，埃德温·霍尔无法回答经典霍尔效应的作用。然而，今天，经典霍尔效应已经融入我们的日常生活，并广泛应用于汽车、家电、手机等行业。我们将拭目以待三维量子霍尔效应在未来会有什么样的应用。