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，一百多年来，科学家对量子霍尔效应的研究一直停留在二维体系中，从未进入三维领域。
近日，复旦大学物理系修发贤研究组在该领域率先取得重大突破。 在拓扑半金属砷化镉纳米片中观察到由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据，向前迈出了一步。 从二维到三维的关键一步。
12月17日，相关研究成果在线发表于（，DOI：10.1038/-018-0798-3.）。 修发显为通讯作者，复旦大学物理系博士生张成，复旦校友、康奈尔大学博士后张毅霍尔效应高中物理，复旦大学物理系博士生袁翔，为共同第一作者。
为电子“制定规则”的三维量子霍尔效应真的存在吗？
农贸市场常常挤满了人。 对于在导体中移动的电子来说也是如此。 他们没有明确的方向和轨迹。 在运动过程中，导体会发热并造成能量损失。
但有序的高速公路则不同。 汽车有自己的路线，不能回头，也不能相撞。 如果电子也能这样做，按照一定的规则有序地运动，那么传输过程中的能量损失就会大大减少。
早在130多年前，美国物理学家霍尔就发现，当对通电导体施加垂直于电流方向的磁场时，电子的轨迹会发生偏转，在导体的纵向产生电压。 这种电磁现象称为“霍尔”。 如果电子被限制在二维平面内，在强磁场的影响下，电子可以在导体边缘进行一维运动，变得“守规矩”、“有序”。
但此前的实验已经证明，量子霍尔效应只发生在二维或准二维系统中。 “比如，这个房间里，除了上表面和下表面之外，中间还有一个空间。” 修法宪用手上下打着手势。 人们知道，在“天花板”或“地面”上，电子可以沿着“边界线”有序、有规律地运动，一前一后，就像两列火车在各自的轨道上飞驰。 那么，在三维空间中呢？
三维系统中是否存在量子霍尔效应？ 如果是的话，电子的运动机制是什么？
将“房子”倾斜霍尔效应高中物理，发现运动机制源自外尔轨道
“当我们在砷化镉纳米片中看到这种现象时，我们非常震惊。量子霍尔效应怎么会出现在三维系统中？” 2016年10月，修发贤及其团队首次使用高质量的三维纳米材料。 当砷化镉纳米片观察到量子霍尔效应时，它们就像看到汽车飞上空中一样惊讶和高兴。
很快，他们的发现发表在《自然通讯》上。 随后，在样品制备过程中，借鉴了修法显团队之前发表的经验。 日本和美国的科学家也在同一系统中观察到了这种效应。 不幸的是，根据当时的实验结果，实际的电子运动机制尚不清楚。
研究团队提出猜想：一种可能的方式是电子从上表面垂直运动到下表面； 另一种可能是电子在上下表面之间移动，即在两个二维系统中移动。 ，独立形成量子霍尔效应。
研究团队决定打破砂锅问到底。 但面对千分之一头发丝大小的实验材料和快如闪电的电子，这个实验该如何进行呢？ 起初，他们不知道如何开始。
“我们把‘房子’放歪了！” 实验材料虽小，但灵感却可以来自日常生活。 修法宪研究团队想出了一个办法。 他们创新性地使用楔形样品来实现可控的厚度变化。 “当屋顶倾斜时，房屋内部上表面和下表面之间的距离会发生变化。” 修法宪画了一个“横梯形”。
通过测量量子霍尔平台上出现的磁场，可以使用公式计算量子霍尔阶跃。 实验发现，其中电子的轨道能量直接受到样品厚度的影响。 这表明，随着样品厚度的变化，电子的运动时间也会发生变化。 因此，电子相对于样品的厚度纵向移动，并且证明了它们的隧道行为。
“电子在上表面行进四分之一圈，穿过到下表面，再完成四分之一圈后，再行回上表面，形成半闭环。这种隧道行为也是非耗散的，所以它可以保证电子在整个回转运动过程中仍然处于量子化状态。” 修法宪表示，整个轨道是一个三维的“韦尔轨道”，这就是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源。
至此，三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开。
坚持基础研究，培养未来科学家
六年前，修法宪回国进入复旦大学物理系。 2014年，在拓扑半金属领域，修法宪选择了具有非常好的材料体系的砷化镉来“尝试研究”。 没想到，事情“一发不可收拾”。 从大块材料，到大薄膜，再到纳米结构、纳米晶体，修法显带领学生“孜孜不倦”地钻研这一领域，乐此不疲。
对于这一成果的诞生，修法宪觉得，就砷化镉的研究而言，这才刚刚开始。 “这是一个工作，我们第一次提出了一个新的机制，也得到了认可。但是还有一些东西可以深入探索，还有更具体的东西，我想继续做下去。”详细。”
修法显也是一名教师，已培养了九名博士生。 今天是周三，他准备晚上和学生们开个小组会议，分享他们在研究中的收获和困难，同时也谈谈日常生活。 他希望自己的工作不仅能产出好的科研作品，还能通过研究育人，培养学生将来成为独立的科学家。
从一棵“小苗”成长为一棵“大树”并不容易，科研进阶之路也绝非一帆风顺。
该项目历时三年，论文第一作者张成也在实验室待了三年。 三天内可以制作六个样品。 如果其中一件质量很好，那么您很幸运。 然而，该项目至少需要数十个可以测量量化现象的样本。 这样一来，需要制作的样品就数不胜数。 数量之多，样品制备所花费的时间和精力可想而知。
样品制作困难，后续保存和测量更是棘手。 为了保证量子霍尔效应的出现，材料必须保持极高的电子迁移率，并且不能容忍杂质的“混入”。 但这谈何容易？ 经过初步测量后，合适的样品被带到世界各地的强磁场中心，在更高的磁场下进行电气测试。 当长途旅行、辛苦工作时，必须时刻小心，防止样品被氧化。
强磁场中心的实验条件很好，但可用的实验时间可能只有一周。 时差还没有逆转，连续几天不间断的工作必须立即开始。 做实验不是一个机械的、重复的手动过程。 最新的测量数据出来后，必须及时调整实验策略和方法，并反复思考，才能在后续测量中获得理想的实验结果。 为了提高效率，实验间隙，张成和袁翔总是带上睡袋，直接在隔壁办公室休息。
虽然辛苦了很多，但大家都觉得值得。 “我也有过挣扎，但多年来我一直坚持做基础性、原创性的工作。” 修法宪表示，基础性、原创性的工作让他和他的团队感到兴奋。 “三维量子霍尔效应从此打上了复旦的烙印！”
（中国日报上海分社）
