量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一。然而，一百多年来，科学家对量子霍尔效应的研究仍然停留在二维体系中。
为了实现这一领域的突破，复旦大学物理系修发贤带领研究团队观察到了拓扑半金属砷化镉纳米片中外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据。向前一步。从二维到三维的关键一步。相关研究成果于北京时间12月18日零时在线发表于主刊《自然》。
早在130多年前，美国物理学家霍尔就发现，当对通电导体施加垂直于电流方向的磁场时，电子的轨迹会发生偏转，在导体的纵向产生电压。导体。这种电磁现象就是霍尔现象。影响。但此前的实验已经证明，量子霍尔效应只发生在二维或准二维系统中。三维系统中是否存在量子霍尔效应？如果是的话，电子的运动机制是什么？
为了回答这个问题，修发贤团队在一种特殊的材料体系——拓扑狄拉克半金属砷化镉材料中观察到了三维量子霍尔效应。这种效应与传统的二维量子霍尔的不同之处在于，存在特殊的电子轨道，称为外尔轨道，电子可以从上表面行进到下表面，然后返回上表面。
修法宪表示，该项目的难点在于材料的准备和器件的测量。首先，对材质的要求非常高。它必须能够精确控制厚度并且必须具有高流动性。研究团队于2014年开始生长这种材料，目前可以实现厚度可控（50-100纳米）和10万的迁移率。第二个困难是测量必须在极端条件下进行：低温和强磁场。温度为数十毫凯尔（即负270摄氏度以上），强磁场超过30特斯拉（地球磁场的一百万倍）。
我们的研究是自由探索型的基础研究。在凝聚态物理中，我们发现了三维量子霍尔效应，可以为今后进一步的科学研究和探索提供一定的实验基础。修法显说道。 （记者王春）
