发现三维量子霍尔效应

王晋岚

[本刊讯]复旦大学物理学系修发贤课题组在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍爾效应的直接证据。2018年12月17日，相关研究成果在线发表于Nature。

量子霍尔效应是凝聚态物理领域最重要的科学发现之一。长期以来，人们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系，从未涉足三维领域。修发贤课题组首先实现重大突破，迈出了量子霍尔效应从二维到三维的关键一步。

之前，修发贤及合作团队在高质量三维砷化镉纳米片中首次观测到了量子霍尔效应，相关研究成果于2017年11月2日发表在NatureCommunications上。但基于当时的实验结果，实际的电子运动机制并不明确。研究团队提出猜想：一种可能的方式是从上表面到下表面的体态穿越;另一种可能是电子在上下两个表面，即在两个二维体系中，分别独立形成量子霍尔效应。

经过不断思考、探索，研究团队创新性地利用楔形样品实现了可控的厚度变化。实验发现，电子的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响，表明随着样品厚度的变化，电子的运动时间也在变。电子在做与样品厚度相关的纵向运动，其隧穿行为得到了证实。