导读
2019年5月8日，国际顶级学术刊物《自然》()发表了主要由北方科技学院数学系和中国科学技术学院化学大学共同完成的题为“Three-Hallandmetal-inZrTe5”的研究论文，实验否认了耶鲁学院理论化学学家在1987年给出的关于三维电子气体系中量子霍尔效应的理论预测。南工大数学系副院长张立源、中国农大院士乔振华和美国技术和设计学院院长杨声远为共同通信作者；英国布鲁克海文国家实验室、佛罗里达强磁场实验室、麻省理工大学、新加坡技术和设计学院为共同参与单位。
在汇聚态化学学中，对于对称性、相互作用、拓扑性以及维度（或自由度）的理解是永恒的研究课题，也是当前固体化学和元件应用的研究热点。从1980年开始，量子霍尔效应的发觉开启了研究数学学中拓扑相变的新时代，也深刻地改变了人们对相变、对称性和互相作用的理解。近来10年来，拓扑量子物态的相关研究早已成为当前汇聚态化学领域最活跃的课题之一。高品质的ZrTe5晶体具有超高的迁移率、超低氮化物含量和多种珍稀的拓扑能带特点，成为了研究三维电子气体系的拓扑量子相变的理想材料之一。
图1.ZrTe5单晶硅（Tp~95K）的（a）降温曲线和（b）三维费米面结构。
对于内阻率反常峰（Tp）在95K左右的ZrTe5样品（图1.a），张立源课题组通过细致的高温量子输运检测，并结合各个轴向的量子振荡剖析，得到了十分清晰的费米面拓扑结构（图1.b）。虽然ZrTe5的费米面存在特别强的各向异性，但其本身闭合的费米面结构依然挺好地说明了体系是属于完全的三维系统。
课题组在高温下的输运检测中物理实验 霍尔效应，发觉了特别显著的量子霍尔平台（图2.a）。通过仔细剖析平台量子化内阻值和样品长度之间的依赖关系，研究组强调，量子霍尔层的周期恰好为材料z方向费米波长的1/2（图2.b），这挺好地证明了三维电子气在磁场调制下产生电荷密度波（CDW）结构的化学图象。理论模拟三维电子气在强磁场下的行为，可以清晰看见电子气产生一层一层的量子层结构（图2.b插图）。据悉，z方向的非欧姆性输运行为也给出了CDW存在的有力证据。
图2.（a）ZrTe5单晶硅中的三维量子霍尔效应；（b）z方向的CDW周期和费米波长，插图是三维电子气在磁场下产生二维导电层的模拟
在体系步入量子极限后，研究组观测到了极其显著的金属绝缘体相变行为（图3.a）。体系存在一个典型的零温量子临界点，为量子相变，并可以画出体系的电子相图（图3.b），这种结果为将来研究三维电子气中的电子互相作用效应提供了挺好的参考。
图3.（a）ZrTe5单晶硅中金属绝缘体相变的标度行为；（b）体系的电子相图
张立源表示，这项工作的顺利举办离不开博士生汤方栋、任亚飞，博士后王培培的细致剖析和勤劳工作。另一方面，研究过程中的合作、沟通和讨论是必不可少的。现今的科学研究越来越重视团队合作，单靠一个人的努力是不够的，许多人在一起各自发挥优势可以把事情做得更好。张立源说，很辛运能和中国科技学院的乔振华研究组、新加坡技术与设计学院（ofand）的杨声远院士、布鲁克海文国家实验室的顾根大研究组、弗罗里达州立学院和法国强磁场中心的杨昆老师以及麻省理工大学的李雅达（ALee）先生一起合作。
可以预见物理实验 霍尔效应，如同二维量子霍尔效应的发觉造成震惊那样，此项研究成果将会开辟一个崭新的三维量子物态的研究领域。值得一提的是，在2019年获得APSMedalforin时，专门在得奖报告上将其在1987年关于三维量子霍尔效应的理论预言列为自己的终生成就之一。在得悉这次研究团队的实验成果后，他向团队抒发了庆贺和肯定，并赞扬团队的成果“averynice”。
此项研究工作得到了湖南省创新创业团队计划、深圳孔雀团队、深圳市科创委基础研究(学科布局)项目基金等专项基金的大力支持。
来源|北方科技学院新闻网