今天凌晨，復旦大學物理學系修發賢課題組關于三維量子霍爾效應的突破性原創成果在線發表于《自然》（Nature）。20世紀以來，已有四個諾貝爾獎與量子霍爾效應直接相關。而此前這一領域的研究仍停留于二維體系。在本次成果中，修發賢教授課題組在拓撲狄拉克半金屬砷化鎘材料里觀測到三維量子霍爾效應，通過實驗證明電子的隧穿過程，邁出從二維到三維的關鍵一步，開拓了全新的研究維度。

早在130多年前，美國物理學家霍爾發現，對通電的導體加上垂直于電流方向的磁場，電子的運動軌跡將發生偏轉，在導體的縱向方向產生電壓，這個電磁現象就是"霍爾效應"。以往的實驗證明，量子霍爾效應主要在二維或者準二維體系中發生。而修發賢課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片中觀測到了新型三維量子霍爾效應的直接證據。在三維體系中，材料上表面邊緣的電子受到強磁場作用，會直接從內部隧穿到下表面，然后繼續沿著回旋軌道運動，遇到材料邊緣之后沿著側壁返回到上表面。如此往復形成一個來回于兩個表面之間的路徑，從而形成導電通道，這是一種發生在三維空間的全新的量子霍爾效應。

復旦大學物理學系教授 修發賢:打個比方有一個房間有這個天花板有地面，那么整個組成一個三維的空間，那在這里邊電子可以從天花板進行運動，然后穿越整個空間到達地面，從地面再進行運動，再回到天花板。這樣就組成了一個電子的三維的量子化的回旋軌道。

▲修發賢團隊

我國率先發現三維量子霍爾效應

今年，修發賢課題組快于日本和美國的科學家們，率先發現了三維量子霍爾效應。事實上，去年11月，課題組已在《自然·通訊》上率先發布了相關成果，一兩個月后日本和美國也觀測到了類似的結果。但彼時限于實驗條件，實際的電子運動機制并不明確。

修發賢表示，其難點在于材料的制備和器件的測量。首先對材料的要求非常高，必須能夠精確的控制厚度，以及具備高遷移率。第二個難點在于測量必須在極端條件下進行，即零下270多度低溫和三十多特斯拉強磁場（地磁場的百萬倍）。

后來，課題組創新性地利用楔形樣品實現可控的厚度變化，即把電子運動的“房子”放歪，“屋頂被傾斜了，房子內部上下表面的距離就會發生變化”，修發賢介紹。通過實驗發現，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的縱向運動，其隧穿行為被證明了。

▲2英寸單晶薄膜

三維量子霍爾效應的意義

量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一。修發賢課題組的發現為未來三維空間量子化傳輸提供了新的思路和實驗基礎，在拓撲量子計算及低功耗電子器件方面有潛在應用價值——“就是我們可以在自旋、光電探測方面可以做一些原型器件，比如說在一些紅外探測，一些遙感這樣的領域里邊發揮它的作用。”修發賢教授說。

該成果證明，拓撲狄拉克半金屬砷化鎘材料電子的傳輸和響應很快，遷移率達到10萬，而目前使用的半導體材料一般只有幾百遷移率。目前，該研究已能將砷化鎘制備成2英寸單晶薄膜。未來或可用于低能耗電子器件，在紅外探測、電子自旋方面做一些原型器件。