復(fù)旦大學(xué)首次觀測(cè)到三維量子霍爾效應(yīng)

復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢課題組在拓?fù)浒虢饘偕榛k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)研究成果以《砷化鎘中基于外爾軌道的量子霍爾效應(yīng)》(“Quantum Hall effect based on Weyl orbits inCd3As2”)為題在線發(fā)表于《自然》(Nature， DOI：10.1038/s41586-018-0798-3。)。修發(fā)賢為通訊作者，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士生張成，復(fù)旦校友、康奈爾大學(xué)博士后張億和復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士生袁翔為共同第一作者。

共同第一作者：張成，張億，袁翔;通訊作者：修發(fā)賢;第一單位：復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系;論文doi： 10.1038/s41586-018-0798-3。

對(duì)于這次成果的誕生，修發(fā)賢覺(jué)得，在砷化鎘的研究方面，這才剛剛開始。“這是一個(gè)作品，我們第一次提出了新的機(jī)制，也得到了認(rèn)可。但還有可以深挖的，還有更具體的東西，我想得繼續(xù)做細(xì)做好。這次我們發(fā)現(xiàn)了三維量子霍爾效應(yīng)，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。

課題背景

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，迄今已有四個(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，從未涉足三維領(lǐng)域。

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)”。如果將電子限制在二維平面內(nèi)，在強(qiáng)大的磁場(chǎng)作用下，電子的運(yùn)動(dòng)可以在導(dǎo)體邊緣做一維運(yùn)動(dòng)，變得“講規(guī)則”“守秩序”。

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。“比如說(shuō)這間屋子，除了上表面、下表面，中間還存在一個(gè)空間。”修發(fā)賢用手上下比劃著。人們知道，在“天花板”或者“地面”上，電子可以沿著“邊界線”有條不紊的做著規(guī)則運(yùn)動(dòng)，一列朝前，一列向后，像是兩列在各自軌道上疾馳的列車。那么，在立體空間中呢?

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?

把“房子”放歪 發(fā)現(xiàn)來(lái)源于外爾軌道的運(yùn)動(dòng)機(jī)制

“我們?cè)谏榛k納米片中看到這一現(xiàn)象時(shí)，非常震驚，三維體系里邊怎么會(huì)出現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)?”2016年10月，修發(fā)賢及其團(tuán)隊(duì)第一次用高質(zhì)量的三維砷化鎘納米片觀測(cè)到量子霍爾效應(yīng)的時(shí)候，就像目睹汽車飛到空中那樣又驚又喜。

很快，他們的這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了《自然·通訊》上。隨后，在樣品制備過(guò)程中借鑒了修發(fā)賢團(tuán)隊(duì)前期已發(fā)表的經(jīng)驗(yàn)，日本和美國(guó)也有科學(xué)家在同樣的體系中觀測(cè)到了這一效應(yīng)。但遺憾的是，基于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際的電子運(yùn)動(dòng)機(jī)制并不明確。

課題組提出了他們的猜想：一種可能的方式是從上表面到下表面的體態(tài)穿越，電子做了垂直運(yùn)動(dòng);另一種可能是電子在上下兩個(gè)表面，即在兩個(gè)二維體系中，分別獨(dú)立形成了量子霍爾效應(yīng)。

課題組決定，打破砂鍋問(wèn)到底。但面對(duì)千分之一根頭發(fā)絲大小的實(shí)驗(yàn)材料，快如閃電的電子運(yùn)動(dòng)速度，這實(shí)驗(yàn)該怎么做?起初，他們也不知該如何下手。

“我們把‘房子’放歪了!”實(shí)驗(yàn)材料雖小，靈感卻可以從日常生活而來(lái)。

修發(fā)賢課題組想了一個(gè)辦法，他們創(chuàng)新性地利用楔形樣品實(shí)現(xiàn)可控的厚度變化。“屋頂被傾斜了，房子內(nèi)部上下表面的距離就會(huì)發(fā)生變化。”修發(fā)賢比劃出一個(gè)“橫倒的梯形”。

通過(guò)測(cè)量量子霍爾平臺(tái)出現(xiàn)的磁場(chǎng)，可以用公式推算出量子霍爾臺(tái)階。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電子在其中的運(yùn)動(dòng)軌道能量直接受到樣品厚度的影響。這說(shuō)明，隨著樣品厚度的變化，電子的運(yùn)動(dòng)時(shí)間也在變。所以，電子在做與樣品厚度相關(guān)的縱向運(yùn)動(dòng)，其隧穿行為被證明了。

“電子在上表面走一段四分之一圈，穿越到下表面，完成另外一個(gè)四分之一圈后，再穿越回上表面，形成半個(gè)閉環(huán)，這個(gè)隧穿行為也是無(wú)耗散的，所以可以保證電子在整個(gè)回旋運(yùn)動(dòng)中仍然是量子化的。”修發(fā)賢說(shuō)，整個(gè)軌道就是三維的“外爾軌道”，是砷化鎘納米結(jié)構(gòu)中量子霍爾效應(yīng)的來(lái)源。

至此，三維量子霍爾效應(yīng)的奧秘終于被揭開了。

全文亮點(diǎn)

基于三維拓?fù)浒虢饘俨牧螩d3As2，發(fā)現(xiàn)一種新型的量子霍爾效應(yīng)，認(rèn)為三維量子霍爾效應(yīng)的來(lái)源于與外爾軌道。

利用楔形Cd3As2納米片，發(fā)現(xiàn)樣品厚度對(duì)量子霍爾輸運(yùn)產(chǎn)生極大的調(diào)制。

朗道能級(jí)與磁場(chǎng)強(qiáng)度以及方向，以及樣品厚度的依賴關(guān)系，與理論預(yù)測(cè)符合。

圖文快解

圖1 外爾軌道中的量子霍爾效應(yīng)。 圖1 外爾軌道中的量子霍爾效應(yīng)。

b： 二維量子霍爾效應(yīng)圖示。

c：基于外爾軌道的三維量子霍爾效應(yīng)圖示。

d，e： 基于楔形樣品，在不同厚度出測(cè)量輸運(yùn)性質(zhì)圖示。

圖2 楔形樣品1的量子霍爾效應(yīng)。x軸方向上，厚度變化

圖3 楔形樣品2，y軸方向上的量子霍爾效應(yīng)

通過(guò)測(cè)量量子霍爾平臺(tái)出現(xiàn)的磁場(chǎng)，可以用公式推算出量子霍爾臺(tái)階。

圖4 將樣品在y-z平面內(nèi)傾斜，產(chǎn)生的不對(duì)稱的霍爾電阻。

圖5 外爾軌道內(nèi)朗道能級(jí)偏移的分析。

作者介紹

修發(fā)賢，于2007年獲得加州大學(xué)河濱分校博士學(xué)位。2008至2011年在加州大學(xué)洛杉磯分校做博士后研究。2011年擔(dān)任愛(ài)荷華州立大學(xué)助理教授。2012年入選青年千人計(jì)劃，2013年入職復(fù)旦大學(xué)并獲得優(yōu)青和浦江人才計(jì)劃支持。

修發(fā)賢課題組主要從事拓?fù)涞依瞬牧系纳L(zhǎng)、量子調(diào)控以及新型二維原子晶體的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生長(zhǎng)、物性測(cè)量以及量子器件的制備與表征。在二維材料的器件方面主要研究其電學(xué)、磁學(xué)和光電特性。

在過(guò)去的十余年中，在學(xué)術(shù)期刊Nature Materials， Nature Nanotechnology， Nature Communications， JACS， Nano Letters等發(fā)表SCI論文100余篇。目前工作重點(diǎn)是新型狄拉克材料的生長(zhǎng)、量子調(diào)控以及新型二維原子晶體的器件研究。