中国科技网科技日报讯（黄洁 记者 王春）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，已有4项诺贝尔奖与其直接相关。然而百余年来，科学家对量子霍尔效应的研究一直停留在二维体系中。
为在该领域取得突破，复旦大学物理系修法宪带领研究团队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，迈出了从二维到三维的关键一步。相关研究成果于北京时间12月18日0点在《自然》杂志主期刊上在线发表。
130多年前，美国物理学家霍尔发现，当在载电的导体上加上垂直于电流方向的磁场时，电子的运动轨迹会发生偏转，在导体的纵向上会产生电压，这种电磁现象就是“霍尔效应”。但此前的实验表明，量子霍尔效应只发生在二维或准二维体系中。三维体系中是否存在量子霍尔效应？如果存在，电子运动的机理又是什么？
为了解答这个问题，修法宪团队在一种特殊的材料体系，即拓扑狄拉克半金属砷化镉材料中观察到了三维量子霍尔效应。这种效应不同于传统的二维量子霍尔效应美国物理学家霍尔，其中存在一种特殊的电子轨道，称为外尔轨道，电子可以从上表面运动到下表面，再回到上表面。
修发先介绍说，项目的难点在于材料的制备和器件的测量。首先对材料的要求非常高，厚度要精确控制，迁移率要非常高。研究团队从2014年开始生长这种材料，经过近5年的探索，厚度可以控制（50-100纳米），迁移率可以达到10万。第二个难点是测量必须在极端条件下进行：低温、强磁场。温度达几十毫开尔文（即零下270多度），强磁场超过30特斯拉（是地球磁场的百万倍）。
“我们的研究是自由探索型的基础研究美国物理学家霍尔，在凝聚态物理领域发现了三维量子霍尔效应，可以为今后进一步的科学研究提供一定的实验基础。另外在应用方面，这个材料体系具有非常高的迁移率，电子的传输和响应速度非常快，在红外探测、电子自旋等方面都可以做出一些原型器件。”修发宪说。