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    我国学者实验观测到三维量子霍尔效应

    日期 2019-05-24   来源:数理科学部   作者:倪培根 姜向伟 陈刚 郭海中  【 】   【打印】   【关闭

    图1 a. ZrTe5的晶格结构;b. 实验测量的费米面形状,该费米面是封闭的,表征该电子体系的三维特性;c. 三维量子霍尔现象

    图2 a. ZrTe5金属绝缘体量子相变的标度行为;b. ZrTe5磁场与温度的电子相图

      在国家自然科学基金项目(批准号:11874193,11474265)等资助下,南方科技大学物理系张立源研究组、中国科学技术大学物理学院乔振华研究组与新加坡科技设计大学杨声远教授、美国佛罗里达州立大学杨昆教授、麻省理工学院Patrick A. Lee教授和布鲁海文国家实验室Genda Gu教授合作在量子霍尔效应研究领域取得重要进展,在五碲化锆(ZrTe5)块体单晶材料中首次观测到三维量子霍尔效应。该成果以“Three-dimensional Quantum Hall Effect and Metal–insulator Transition in ZrTe5”(五碲化锆中的三维量子霍尔效应和金属绝缘体相变)为题,于5月8日在线发表在Nature(《自然》)上,文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1180-9。

      上世纪八十年代,德国科学家冯·克利青在二维体系中实验发现了量子霍尔效应, 开启了凝聚态物理学中研究拓扑物理的新时代,也深刻地改变了人们对相变和物态分类的理解。特别是最近十多年来,拓扑量子物态和拓扑量子材料的研究已经成为当前凝聚态物理最活跃的研究领域之一。把量子霍尔效应从二维拓展到三维体系,这项研究在二维量子霍尔效应实验发现后不久便引起关注。哈佛大学著名物理学家Bertrand Halperin教授1987年在理论上预言了三维量子霍尔效应的可能存在方式和具体特征。然而,该项实验对测量条件和材料品质的要求异常苛刻,科研人员进行了诸多尝试,但实验上未获得确信的直接观测证据。

      最近,南方科技大学张立源研究组、中国科学技术大学乔振华研究组与国外研究团队的密切合作,通过研究发现:超高的迁移率、超低载流子浓度,以及单个费米口袋特性是整个实验成功的关键所在。他们研究了多种高品质的ZrTe5晶体,该材料在2014年被中科院物理所翁红明、戴希和方忠等人预测可能具有非平庸的拓扑性。在低温和小磁场条件下,通过量子振荡输运测量和分析手段,可以重构出一个非常清晰的闭合费米面拓扑结构。这种封闭的三维费米面可以与准二维体系明确分开,在量子极限区域,观测到纵向电阻为零和平台状的霍尔电阻,这种行为与Halperin教授预言的三维量子霍尔效应的特征完全一致。当继续增大磁场,还进一步发现金属绝缘体转变,说明该三维体系中的量子相异常丰富。

      自1980年发现量子霍尔效应后,人们把注意力主要集中在二维体系里。这次在三维电子气体系里也实现了量子霍尔效应,为霍尔效应家族增加了一个重要的板块。这些新奇现象背后的微观物理机制展现了新的研究前景。




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