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                复旦学者在三维空间中观测到了量子霍尔效应 成果登《自然》
                来源: 中国四川新闻网 通讯员 刘苏蒙 记者 王湛

                量子霍尔领域再现重大突破。

                北京时间12月18日0时,《自然》在线发表了复旦大学物理学系修发贤课题组的最新研究成果,他们发现了基于外尔轨道的三维量子霍尔效应。

                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一,1985年和1998年的诺贝尔物理学奖便出自该领域。

                不过,自霍尔效应发现的一百多年来,科学家们对它的研究都停留于二维体系,从未涉足三维领域。修发贤课题组的研究则推动这一基础学科领域,又向前进了一大步。

                在三维空间观测量子霍尔效应

                霍尔效应是美国物理学家霍尔在做研究生期间发现的。当导体、半导体通有电流时,在垂直于电流方向加上磁场,电子的运动轨迹将发生偏转,在导体的纵向方向产生电压。

                量子霍尔效应是量子力学版本的霍尔效应。但在以往的实验中,量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。

                “比如说这间屋子,除了上表面、下表面,中间还存在一个空间。”修发贤形容,这就像在“天花板”或者“地面”上,电子可以沿着“边界线”有条不紊地做着规则运动。

                但在三维空间中呢?

                此前,2016年10月,修发贤和团队第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到了量子霍尔效应。

                该研究成果发表在《自然 通讯》后,日本和美国也有科学家借鉴相关经验,在同样的体系中观测到了这一效应。遗憾的是,实际的电子运动机制当时无法明确。

                修发贤课题组此次作出的突破性成就,便是在拓扑半金属砷化镉纳米片中,首次观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据。

                “电子在上表面走一段四分之一圈,穿越到下表面,完成另外一个四分之一圈后,再穿越回上表面,形成半个闭环,这个隧穿行为也是无耗散的,所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。”修发贤告诉澎湃新闻记者。

                比喻性地说,课题组在特定的材料和条件下,观测到了电子可以从“天花板”穿越“房间”到达“地面”,然后从“地面”再回到“天花板”。

                北京时间12月18日0时,这篇题为《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》的论文在线发表于《自然》。修发贤为通讯作者,复旦大学物理学系博士生张成,复旦校友、康奈尔大学博士后张亿和复旦大学物理学系博士生袁翔为共同第一作者。

                难点在于材料制备和器件测量

                这次课题的难点在于材料的制备和器件的测量。

                修发贤介绍,该研究对材料的要求非常高,必须能够精确地控制厚度,必须有很高的迁移率。课题组从2014年开始生长这个材料,经过差不多5年的摸索,可以达到厚度的可控性(50-100nm),迁移率达到10万平方厘米/(伏 秒)。

                实验中,修发贤团队还创新性地利用楔形样品,实现可控的厚度变化,就好像一个“横倒的梯形”,“屋顶被倾斜了,房子内部上下表面的距离就会发生变化。”

                团队通过测量量子霍尔平台出现的磁场,可以用公式推算出量子霍尔台阶。实验发现,电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响。这说明,随着样品厚度的变化,电子的运动时间也在变。

                就此,电子在做与样品厚度相关的纵向运动,其隧穿行为被证明了。

                另一个难点在于测量必须在极端条件下进行。修发贤介绍,实验温度需在几十毫K ,也就是零下270多度,强磁场达三十多特斯拉,达到地磁场的百万倍。

                修发贤表示,这次研究体现材料确实具有高迁移率,电子的传输和响应很快,未来可以在红外探测、电子自旋方面做一些原型器件。

                另外,量子霍尔效应的研究,对于低能耗的电子器件研制也有重要意义。

                修发贤解释,就像汽车在农贸市场和高速公路行进的不同,如果电子也能按照一定的规则有序运动,那么在传输过程中,能量损耗会大大减少。

                “发现新的物理现象,对推动物理学基础理论发展,具有极大的推动作用。”复旦大学物理学系党委书记蒋最敏告诉澎湃新闻记者。

                修发贤表示,基础研究领域许多成就,往往不是规划来的,此次研究便属于自由探索型的基础研究,发现了一个新的现象。


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