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中国科大科学家首次实验验证三维量子霍尔效应

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新安晚报 安徽网 大皖客户端讯 记者从中国科大获悉,该校重磅成果再登《自然》,首次实验验证三维量子霍尔效应。霍尔效应是对电磁力规律的一个描述,是二极管发明的前提,也是半导体工业发展的重要基础。

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在碲化锆体系中观测到三维量子霍尔效应。(设计:王国燕、何聪)

霍尔效应描述了当磁场加载到金属和半导体上时,电力与磁力之间的一种相互关系。1879年发现的霍尔效应这一基础理论对半导体行业意义深远,因为它是二极管被发明出来的重要前提。1980年,德国科学家冯·克利青首次在二维体系里发现了量子霍尔效应,改变了传统学界对物态和相变的理解,并把拓扑的概念引入到物理学研究里,量子霍尔效应也成了学术界的宠儿。

能否在三维体系中也观测到量子霍尔效应呢?1987年,哈佛大学伯特兰•霍尔珀林教授从理论上预言了三维体系存在量子霍尔效应,并给出了它的测量特征。国际学界将这种现象称为“三维量子霍尔效应”。然而要观测到三维量子霍尔效应,必须把电子态调控到量子极限区域,这对测量磁场条件或材料体系的要求异常苛刻,几十年来,科学界一直未有确凿的观测证据。

中国科学技术大学乔振华课题组与南方科技大学张立源课题组等合作,经过5年多的努力,首次在毫米级的碲化锆材料上观测到三维量子霍尔效应,研究成果5月9日发表在国际权威期刊《自然》上,引发学术圈的极大关注。美国国家科学院院士文小刚高度评价这一成果: “这一新的实验发现,给了我们一个新的材料体系,其中也能产生拓扑序。”

碲化锆是一种三维层状结构的新型材料,具有特殊的热电性质和反常的电阻对温度的依赖关系,在上世纪被广泛关注。近年来,全世界多个实验室各自制备该材料,并通过多种不同的手段进行探测,希望确定其物理特性。

从2014年起,南方科技大学张立源团队开始尝试实验研究该体系,希望在拓扑性质研究上有所斩获,却意外发现碲化锆也是研究三维体系的理想材料。2017年初,从事相同方向理论研究的中国科学技术大学乔振华团队与张立源团队开始密切合作,测试分析了难以计数的来自国内外著名研究机构的样品,终于在该三维宏观材料上观测到量子霍尔效应。

自1980年发现量子霍尔效应后,人们把注意力集中在二维体系里。这次在毫米级的宏观尺度上实现了三维量子霍尔效应,补全了霍尔效应家族一个重要的拼图。乔振华教授认为:“丰富多彩的三维体系,将吸引众多学者加入到新型的三维量子物态以及相变领域的研究之中,并为霍尔效应家族的发展提供一个全新的领域和视角。”

140年前的埃德温·霍尔无法回答经典霍尔效应能做什么。但今天,经典霍尔效应已经融入了我们日常生活中,广泛应用于汽车、家电、手机等行业。那么三维量子霍尔效应未来有什么样的应用则拭目以待。

范琼 新安晚报 安徽网 大皖客户端记者 陈牧

责任编辑:许大鹏

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