量子霍爾效應(yīng)是20世紀(jì)以來(lái)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一,，至今已有四個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)與其直接相關(guān),。但一百多年來(lái),，科學(xué)家們對(duì)量子霍爾效應(yīng)的研究仍停留于二維體系,。

為實(shí)現(xiàn)這一領(lǐng)域的突破,，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢帶領(lǐng)其課題組在拓?fù)浒?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/金屬砷化鎘" target="_blank">金屬砷化鎘納米片中觀測(cè)到了由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應(yīng)的直接證據(jù),，邁出了從二維到三維的關(guān)鍵一步,。相關(guān)研究成果于北京時(shí)間12月18日零點(diǎn)在線發(fā)表于《自然》主刊,。

早在130多年前,，美國(guó)物理學(xué)家霍爾就發(fā)現(xiàn),，對(duì)通電的導(dǎo)體加上垂直于電流方向的磁場(chǎng)，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn),，在導(dǎo)體的縱向方向產(chǎn)生電壓,，這個(gè)電磁現(xiàn)象就是“霍爾效應(yīng)”。但以往的實(shí)驗(yàn)證明,，量子霍爾效應(yīng)只會(huì)在二維或者準(zhǔn)二維體系中發(fā)生,。三維體系中存在量子霍爾效應(yīng)嗎？如果有,，電子的運(yùn)動(dòng)機(jī)制是什么,？

為解答這一問(wèn)題，修發(fā)賢團(tuán)隊(duì)在一種特殊的材料體系中,，也就是拓?fù)涞依税虢饘偕榛k材料里,，觀測(cè)到三維量子霍爾效應(yīng)。該效應(yīng)與傳統(tǒng)的二維量子霍爾不同,，存在特殊的電子軌道,，稱為外爾軌道，電子可以從上表面穿越到下表面,，然后再回到上表面,。

修發(fā)賢表示，課題的難點(diǎn)在于材料的制備和器件的測(cè)量,。首先對(duì)材料的要求非常高,，必須能夠精確的控制厚度，必須有很高的遷移率,。課題組從2014年開(kāi)始生長(zhǎng)這個(gè)材料,，經(jīng)過(guò)差不多5年的摸索,，可以達(dá)到厚度的可控性（50－100納米），遷移率達(dá)到10萬(wàn),。第二個(gè)難點(diǎn)在于,，測(cè)量必須在極端條件下進(jìn)行：低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)。溫度在幾十毫K（也就是零下270多度）,，強(qiáng)磁場(chǎng)在三十多特斯拉（地磁場(chǎng)的百萬(wàn)倍）,。

“我們的這個(gè)研究屬于自由探索型的基礎(chǔ)研究，在凝聚態(tài)物理方面,，我們發(fā)現(xiàn)了三維量子霍爾效應(yīng),，可以為今后的進(jìn)一步科研探索提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。另外,，在應(yīng)用方面這個(gè)材料體系具有非常高的遷移率,，電子的傳輸和響應(yīng)很快，可以在紅外探測(cè),、電子自旋方面做一些原型器件,。”修發(fā)賢說(shuō),。（黃婕記者王春）