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重大突破:研究人员首次证明了三维量子霍尔效应



量子霍尔效应(QHE),之前被认为是二维(2-D)系统,被伯特兰·哈尔佩林在1987年预测为三维(3-D)系统的可能,但该理论直到最近才被来自新加坡技术与设计大学(SUTD)的研究人员和他们来自世界各地的研究合作者证实。

霍尔效应是材料表征的一项基本技术,当磁场使电子横向偏转并导致横向电压下降时,就会发生霍尔效应。1980年,研究人员在测量被困在半导体结构中的二维电子气体的霍尔效应时,进行了一个惊人的观察——测量的霍尔电阻率显示出一系列完全平坦的平台,其量子化到100亿分之一的数值,其精度令人瞩目。这就是所谓的QHE。

自那以后,QHE彻底改变了人们对凝聚态物理的基本认识,产生了一个广阔的物理研究领域。许多新兴的课题,如拓扑材料,也可以追溯到它。

在发现量子阱后不久,研究人员就开始探索将量子阱从二维系统推广到三维系统的可能性。伯特兰·哈尔佩林(Bertrand Halperin)在1987年发表的一篇开创性论文中预测,这种被称为3d QHE的广义效应确实是可能的。从理论上分析,他给出了三维QHE的特征,并指出磁场作用下电子间增强的相互作用是推动金属材料进入三维QHE状态的关键。

哈尔佩林的预测已经过去了30年,尽管人们一直在努力在实验中实现三维QHE,但由于三维QHE所要求的严格条件——材料必须非常纯净、具有高迁移率和低载流子密度——明确的证据一直难以找到。

SUTD的实验合作者,中国南方科技大学,自2014年以来一直致力于一种名为ZrTe5的独特材料的研究。该材料能够满足所要求的条件,并具有三维QHE的特征。

在发表在《自然》杂志上的研究论文中,研究人员指出,当材料被冷却到非常低的温度,而在中等磁场下,其纵向电阻率下降到零,表明材料从金属转变为绝缘体。这是由于电子之间的相互作用,在这种相互作用中,电子重新分布,并沿磁场方向形成一个周期密度波(如图所示),称为电荷密度波。

这种变化通常会冻结电子的运动,使材料变得绝缘,使电子无法通过材料内部流动。然而,使用这种独特的材料,电子可以通过表面移动,使霍尔电阻率由电荷密度波的波长量化。”这反过来又证明了长期猜测的三维QHE的第一个演示,将著名的QHE从2-D推进到3-D。

“我们可以期待,三维量子阱的发现将会给我们的物理知识带来新的突破,并提供丰富的新的物理效应。”无论如何,这些新知识也将为我们提供实用技术发展的新机遇。”

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