新華社上海12月19日電（記者吳振東、仇逸）一百多年來，科學(xué)家對量子霍爾效應(yīng)的研究仍停留于二維體系。近日，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢課題組在拓?fù)浒虢饘偕榛k納米片中觀測到了由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應(yīng)的直接證據(jù)，邁出了從二維到三維的關(guān)鍵一步。

北京時間12月18日零時，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然》（Nature）。

美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)，對通電的導(dǎo)體加上垂直于電流方向的磁場，電子的運動軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)體的縱向方向產(chǎn)生電壓，這個電磁現(xiàn)象就是“霍爾效應(yīng)”。如果將電子限制在二維平面內(nèi)，在強(qiáng)大磁場作用下，電子的運動可以在導(dǎo)體邊緣做一維運動，變得“講規(guī)則”“守秩序”。但以往實驗證明，量子霍爾效應(yīng)只會在二維或準(zhǔn)二維體系中發(fā)生。

2016年10月，修發(fā)賢及其團(tuán)隊第一次用高質(zhì)量的三維砷化鎘納米片觀測到了量子霍爾效應(yīng)，修發(fā)賢形容：“就像是目睹汽車飛到空中那樣又驚又喜?！彪S后，日本和美國科學(xué)家在同樣的體系中觀測到這一效應(yīng)，但實際的電子運動機(jī)制在當(dāng)時并不明確。

修發(fā)賢課題組提出了他們的猜想：一種可能的方式是從上表面到下表面的體態(tài)穿越，電子做了垂直運動；另一種可能是電子在上下兩個表面，即在兩個二維體系中，分別獨立形成了量子霍爾效應(yīng)。在實驗中，面對快如閃電的電子運動速度，課題組創(chuàng)新性地利用楔形樣品實現(xiàn)可控的厚度變化?！拔覀儼央娮舆\動的‘房子’放歪了，屋頂被傾斜了，房子內(nèi)部上下表面的距離就會發(fā)生變化?！毙薨l(fā)賢說，實驗發(fā)現(xiàn)，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。所以，電子在做與樣品厚度相關(guān)的縱向運動，其隧穿行為被證明了。

“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后，再穿越回上表面，形成半個閉環(huán)，這個隧穿行為也是無耗散的，所以可以保證電子在整個回旋運動中仍然是量子化的。”修發(fā)賢說，整個軌道就是三維的“外爾軌道”，是砷化鎘納米結(jié)構(gòu)中量子霍爾效應(yīng)的來源。至此，三維量子霍爾效應(yīng)的奧秘終于被揭開。

量子霍爾效應(yīng)被稱作是20世紀(jì)以來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，迄今已有4個諾貝爾獎與其直接相關(guān)。課題組表示，三維量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，能夠為將來進(jìn)一步的科研探索提供實驗基礎(chǔ)。