从20世纪80年代初在二维电子体系中被发觉至今，量子霍尔效应作为超导之外的另一个知名宏观量子现象在汇聚态化学中催生出了一个越趋活跃的研究领域。其内在本质，是将物理中的拓扑概念引入数学，赶超了按照对称性破缺理论对物质分类的传统标准，为近些年的拓扑物态与拓扑材料的快速发展奠定了基础。
量子霍尔效应是否只存在于二维体系？这个基础问题从二维量子霍尔效应发觉后不久即造成领域的关注。早在1987年，从理论上就预言了三维量子霍尔效应的存在和它的检测特点。但要验证这个新奇效应，对材料体系与检测手段的要求都十分高；虽然已有众多尝试，实验上仍欠缺可信的观测证据。
中国科学技术学院淮安微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心（ICQD）和化学系院长乔振华与北方科技学院院长张立源、新加坡科技设计学院院长杨声远、美国佛罗里成都立学院院长杨昆、麻省理工大学院士A.Lee以及布鲁海文国家实验室院士GendaGu等进行理论与实验合作，在碲化锆（ZrTe5）块体单晶体材料中首次观测到三维量子霍尔效应的明晰证据，并强调该效应可能是因为磁场下互相作用形成的电荷密度波诱导的。这一研究成果5月9日在线发表在国际学术刊物《自然》上。
在层状碲化锆材料中，垂直磁场的出现促使体内电子在垂直磁场的平面中产生朗道基态，如图1正上方的圆圈所示；而在侧边界，存在手性传输的电压。在垂直磁场的平面内，边界电子产生双向传输的边沿态，如图1最下层的侧边所示。形成该效应的关键是电子之间的关联作用造成电荷密度波的产生。无论二维还是三维量子霍尔效应，系统的体相都必须是绝缘的。对于三维体系，因为顺着磁场方向的电子运动不受磁场影响，一个初始的金属态在弱电子关联效应下是难以弄成绝缘体的。而当系统步入仅有一个基态被抢占的量子极限区域，电子之间的关联效应大大提高，造成费米面的不稳定。其结果是产生了一种独特的量子态—电荷密度波，即电子的密度顺着磁场方向以一定的周期振荡，整个体系转化为三维量子霍尔绝缘体。
碲化锆是一种各向异性较强的三维层状材料三维量子霍尔效应，如图2（a）所示。碲原子和锆原子顺着x方向产生一维原子链，该原子链顺着y方向堆叠为一层，xy面内的原子层再顺着z方向堆叠成为体材料。费米面的形状虽然存在各向异性，但还是一个封闭的椭球面，如图2（b）所示三维量子霍尔效应，所以整个体系仍为三维系统。
当顺着z方向施加磁场时，该研究团队在实验上观测到一系列内阻振荡。尤其重要的是，当体系步入量子极限区域时，横向内阻为零，而霍尔阻值的数值和z方向的费米波矢相关联，如图2（c）所示。这一独特行为，与在1987年预言的三维量子霍尔效应的特点完全一致。
综上所述，这一工作总算将经历了30余年等待的三维量子霍尔效应这一预言诠释于世人面前。在这个效应中，因为维度的不同，现象背后的微观化学机制也突显其新颖与迷人的方面。该发觉有望为未来的汇聚态化学的发展注入新的活力。
张立源、乔振华和杨声远为论文的共同通信作者；北方科技学院博士生汤方栋和中国农大化学系博士生任亚飞为共同第一作者。
上述研究得到国家自然科学基金委、科技部、中组部、中科院和广东省的捐助。
图1：三维量子霍尔效应及电荷密度波示意图。因为磁场效应，体内电子在面内的运动产生朗道基态，如上方圆圈所示。在仅有一个基态被抢占的量子极限下，更强的电子关联效应造成电荷密度波的产生，并借以促使体系转化为三维量子霍尔绝缘体。
图2：a:ZrTe5的晶格结构。b：实验检测的费米面形状。该费米面是封闭的，表征该电子体系的三维特点。c:三维量子霍尔现象。
