趙偉 摘編

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)喬振華課題組與南方科技大學(xué)張立源課題組等合作，首次在毫米級(jí)的碲化鋯材料上觀測(cè)到三維量子霍爾效應(yīng)，研究成果日前發(fā)表在《自然》上。

霍爾效應(yīng)描述了當(dāng)磁場(chǎng)加載到金屬和半導(dǎo)體上時(shí)電力與磁力之間的一種相互關(guān)系。1879年發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)這一基礎(chǔ)理論對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)意義深遠(yuǎn)，因?yàn)樗嵌O管發(fā)明的重要前提。1980年，德國科學(xué)家馮·克利青首次在二維體系里發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)，改變了傳統(tǒng)學(xué)界對(duì)物態(tài)和相變的理解，并把拓?fù)涓拍钜氲轿锢韺W(xué)研究中。

能否在三維體系中也觀測(cè)到量子霍爾效應(yīng)？1987年，哈佛大學(xué)教授伯特蘭·霍爾珀林從理論上預(yù)言了三維體系存在量子霍爾效應(yīng)，并給出了它的測(cè)量特征。然而，要觀測(cè)到三維量子霍爾效應(yīng)，必須把電子態(tài)調(diào)控到量子極限區(qū)域，這對(duì)測(cè)量磁場(chǎng)條件或材料體系的要求異常苛刻，幾十年來，科學(xué)界一直未有確鑿的觀測(cè)證據(jù)。

碲化鋯是一種三維層狀結(jié)構(gòu)的新型材料，具有特殊的熱電性質(zhì)和反常的電阻對(duì)溫度的依賴關(guān)系。近年來，全世界眾多實(shí)驗(yàn)室在制備該材料，并希望通過多種不同手段進(jìn)行探測(cè)確定其物理特性。從2014年起，張立源團(tuán)隊(duì)開始嘗試實(shí)驗(yàn)研究該體系，希望在拓?fù)湫再|(zhì)研究上有所收獲，卻意外發(fā)現(xiàn)碲化鋯是研究三維體系的理想材料。2017年初，從事相同方向理論研究的喬振華團(tuán)隊(duì)與張立源團(tuán)隊(duì)開始密切合作，測(cè)試分析了難以計(jì)數(shù)的樣品，終于在該三維宏觀材料上觀測(cè)到量子霍爾效應(yīng)。

此次在毫米級(jí)的宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)三維量子霍爾效應(yīng)，補(bǔ)全了霍爾效應(yīng)家族一個(gè)重要拼圖。豐富多彩的三維體系，將為霍爾效應(yīng)家族的發(fā)展提供全新的領(lǐng)域和視角。美國國家科學(xué)院院士文小剛對(duì)該發(fā)現(xiàn)給予高度評(píng)價(jià)：“給了我們一個(gè)新的材料體系，其中也能產(chǎn)生拓?fù)湫颉！保ㄚw偉摘編自《中國科學(xué)報(bào)》2019年5月16日第1版，作者：楊保國）