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。 迄今为止，已有四项诺贝尔奖与其直接相关。 然而，三维量子霍尔效应一百多年来一直是科学家心中的神圣之地。 直到去年12月，复旦大学物理系修法显研究组才宣布首次观测到三维量子霍尔效应。
近日，中国科学技术大学及其合作团队在《自然》杂志上发表论文称，他们通过实验验证了三维量子霍尔效应，并发现了金属-绝缘体转换。
电信号和磁信号转换的电桥
此前，科学家对量子霍尔效应的研究仅集中在二维系统，对于三维系统只有无尽的猜测。 修发贤团队发现了三维“外尔轨道”形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据，迈出了量子霍尔效应从二维到三维的关键一步。
此次，中国科学技术大学合作研究团队紧随其后，进一步证实了三维量子霍尔效应，验证了显着的拓扑绝缘体现象。
霍尔效应是由美国物理学家E.霍尔于1879年通过实验发现的，并以他的名字命名，并传播到全世界。 其核心理论是，当带电粒子（如电子）在磁场中运动时，会受到洛伦兹力的作用而发生偏转，进而磁场中的电流也可能发生偏转。 当电流通过垂直于外部磁场的半导体时，载流子发生偏转高中物理电子偏转，在导体两端积聚电荷，在导体内部产生电场，电场方向与电流方向和磁场方向垂直。场地。 当电场力和洛伦兹力平衡时，载流子不再偏转。 这时，半导体两端就会形成电位差。 这种现象就是霍尔效应。 该电位差也称为霍尔电位差。
总的来说，霍尔效应实际上是电信号和磁信号之间的桥梁。 霍尔传感器可以在任何将电信号转换为磁信号的地方找到。
这个看似深奥的概念，其实和我们的生活非常贴近：比如，如果我们把霍尔元件放在汽车里，我们可以测量发动机转速、车轮转速和方向位移； 再比如，我们把霍尔元件装在电动自行车上。 ，可以做成车把，控制电动车的行驶速度。
量子霍尔效应保持在二维状态
1980年，即发现霍尔效应100年后，德国青年教师克劳斯·冯·克里青通过理论分析和实验发现了整数量子霍尔效应，将霍尔效应带入了量子领域。
冯·克利青发现，量子霍尔效应一般发生在超低温、强磁场等极端条件下。 在极端条件下，电子的偏转不再像普通霍尔效应一样，而是变得更加强烈，偏转半径变得很小高中物理电子偏转，就好像它们绕着导体内部的某一点旋转一样。 也就是说，导体中间的一些电子被“锁定”了，想要传导电流就只能走到导体的边缘。 由于这些发现，他于 1985 年获得了诺贝尔物理学奖。
尽管量子霍尔效应频频获得诺贝尔奖，但相关研究仅限于二维量子系统。 毕竟，我们生活在三维空间中。 如果量子霍尔效应扩展到三维系统会有什么不同？
验证三维量子霍尔效应的另一种方法
先前实现三维量子霍尔效应的思路主要涉及堆叠二维量子系统。 然而，这样得到的只是准二维量子霍尔效应，并没有观察到明显的量子霍尔电阻和空间中的电子振荡。
中国科学家采取了不同的方法并选择了不同的材料。 修法宪研究组选择了砷化镉的楔形纳米结构，中国科学技术大学团队选择了碲化锆的三维晶体。 在这些被认为是拓扑绝缘体的三维纳米结构中，科学家们观察到了类似于二维量子霍尔效应的现象，其中一个方向的电阻逐步变化，而另一个方向的电阻则振荡。 我们在国际上首次实现了三维量子霍尔效应的观测和验证。
在这项研究中，中国科学技术大学团队还对材料的导电性能进行了“大扫描”，得出了金属-绝缘体转换定律：人们可以通过控制温度和施加外部电压来实现金属-绝缘体转换。磁场。 这一原理可用于制造“量子磁开关”等电子元件。 三维量子霍尔效应材料中的电子迁移率非常快，电子可以快速传输和响应。 它们在红外探测、电子自旋器件等方面具有应用前景。第三，三维量子霍尔效应由于其量子化的导电特性，还可以应用于特殊的载流子传输系统。
