▲修發賢課題組主要從事拓撲狄拉克材料的生長、量子調控和新型二維原子晶體的器件研究。（圖／研之成理微信公眾號）
大陸中心／綜合報導
上海復旦大學物理學系修發賢課題組實現重大突破，發現了基於外爾軌道的三維量子霍爾效應，是自霍爾效應發現的一百多年來，首次涉足三維領域，修發賢課題組的研究推動這一基礎學科領域前進了一大步。該研究成果於北京時間18日在《自然》（Nature）雜誌發表。
根據復旦大學新聞文化網顯示，量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一，至今為止已有4個諾貝爾獎與其直接相關。但一百多年來，科學家們的研究仍停留於二維體系，從未涉足三維領域。
修發賢課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片中發現，由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應的直接證據，邁出了從二維到三維的關鍵一步。這篇題為《砷化鎘中基於外爾軌道的量子霍爾效應》的論文於18日線上發表於《自然》，其中，修發賢是通訊作者，復旦大學物理博士生張成，復旦校友、康乃爾大學博士後張億和復旦大學物理博士生袁翔為共同第一作者。
給電子「定規則」三維量子霍爾效應真的存在嗎？
菜市場常常熱鬧非凡，熙熙攘攘的人群四處擁擠，在導體中運動著的電子也是這樣，沒有明確的方向和軌跡，在運動的過程中還會使導體發熱、產生能量損耗。但井然有序的高速公路就不一樣了，汽車在各自的路線行駛，如果電子也能如此，按照一定的規則有序運動，那麼在傳輸過程中，能量損耗會大大減少。
美國物理學家霍爾早在130多年前就發現，對通電的導體加上垂直於電流方向的磁場，電子的運動軌跡將發生偏轉，在導體的縱向方向產生電壓,這個電磁現象就是「霍爾效應」。如果將電子限制在二維平面內，在強大的磁場作用下，電子的運動可以在導體邊緣做一維運動，變得「守秩序」。
但以往的實驗證明，量子霍爾效應只會在二維或者准二維體系中發生。對此，修發賢表示，「比如說這間屋子，除了上表面、下表面，中間還存在一個空間，在天花板或者地面上，電子可以沿著邊界線有條不紊的做著規則運動，像是兩列在各自軌道上飛奔的火車。」那麼，在立體空間中呢？
把「房子」放歪 發現來源於外爾軌道的運動機制
「我們在砷化鎘納米片中看到這一現象時，非常震驚，三維體系裡邊怎麼會出現量子霍爾效應」修發賢及其團隊在2016年第一次用高品質的三維砷化鎘納米片觀測到量子霍爾效應的時候，就像看到汽車飛到空中那樣又驚又喜。他們的這一發現發表在了《自然•通訊》上。
在樣品製備過程中借鑒了修發賢團隊前期已發表的經驗，日本和美國也有科學家在同樣的體系中觀測到了這一效應。但遺憾的是，基於當時的實驗結果，實際的電子運動機制並不明確。對此，修發賢課題組想了一個辦法，他們利用楔形樣品實現可控的厚度變化，「我們把「房子」放歪了，「房子」內部上下表面的距離就會發生變化。」
通過測量量子霍爾平台出現的磁場，可以用公式推算出量子霍爾台階。實驗發現，電子在其中的運動軌道能量直接受到樣品厚度的影響，這說明，隨著樣品厚度的變化，電子的運動時間也在變，因此，電子在做與樣品厚度相關的縱向運動，其隧穿行為被證明了。
修發賢表示，「電子在上表面走一段四分之一圈，穿越到下表面，完成另外一個四分之一圈後，再穿越回上表面，形成半個閉環，這個隧穿行為也是無耗散的，所以可以保證電子在整個迴旋運動中仍然是量子化的」。整個軌道就是三維的「外爾軌道」，是砷化鎘納米結構中量子霍爾效應的來源，至此，三維量子霍爾效應的奧秘終於被揭開。
▼三維量子霍爾效應示意動畫。（影／澎湃新聞／研究團隊提供）
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