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开拓全新研究维度!三维量子霍尔效应是怎么回

今天凌晨,复旦大学物理学系修发贤课题组关于三维量子霍尔效应的突破性原创成果在线发表于《自然》(Nature)。20世纪以来,已有四个诺贝尔奖与量子霍尔效应直接相关。而此前这一领域的研究仍停留于二维体系。在本次成果中,修发贤教授课题组在拓扑狄拉克半金属砷化镉材料里观测到三维量子霍尔效应,通过实验证明电子的隧穿过程,迈出从二维到三维的关键一步,开拓了全新的研究维度。

据修发贤介绍,该效应与传统的二维量子霍尔不同,存在特殊的电子轨道,称为外尔轨道,电子可以从上表面穿越到下表面,然后再回到上表面。打个比方,一个房间有天花板和地面,形成三维空间,电子可以从天花板穿越房间到达地面,然后从地面再回到天花板。

今年,修发贤课题组快于日本和美国的科学家们,率先发现了量子霍尔效应。事实上,去年11月,课题组已在《自然·通讯》上率先发布了相关成果,一两个月后日本和美国也观测到了类似的结果。但彼时限于实验条件,实际的电子运动机制并不明确。

修发贤表示,其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,必须能够精确的控制厚度,以及具备高迁移率。第二个难点在于测量必须在极端条件下进行,即零下270多度低温和三十多特斯拉强磁场(地磁场的百万倍)。

后来,课题组创新性地利用楔形样品实现可控的厚度变化,即把电子运动的“房子”放歪,“屋顶被倾斜了,房子内部上下表面的距离就会发生变化”,修发贤介绍。通过实验发现,电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响。这说明随着样品厚度的变化,电子的运动时间也在变。所以,电子在做与样品厚度相关的纵向运动,其隧穿行为被证明了。

▲2英寸单晶薄膜

该成果证明,拓扑狄拉克半金属砷化镉材料电子的传输和响应很快,迁移率达到10万,而目前使用的半导体材料一般只有几百迁移率。目前,该研究已能将砷化镉制备成2英寸单晶薄膜。未来或可用于低能耗电子器件,在红外探测、电子自旋方面做一些原型器件。

原标题:世界首发,中国科学家在这一诺奖领域抢先一步! 三维量子霍尔效应的突破性原创成果在线发表于《自然》

值班主任:颜甲

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