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。

早在130多年前，美国物理学家霍尔发现，对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场，电子的运动轨迹将发生偏转，在导体的纵向方向产生电压，这个电磁现象就是"霍尔效应"。以往的实验证明，量子霍尔效应主要在二维或者准二维体系中发生。而修发贤课题组在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到了新型三维量子霍尔效应的直接证据。在三维体系中，材料上表面边缘的电子受到强磁场作用，会直接从内部隧穿到下表面，然后继续沿着回旋轨道运动，遇到材料边缘之后沿着侧壁返回到上表面。如此往复形成一个来回于两个表面之间的路径，从而形成导电通道，这是一种发生在三维空间的全新的量子霍尔效应。

复旦大学物理学系教授 修发贤:打个比方有一个房间有这个天花板有地面，那么整个组成一个三维的空间，那在这里边电子可以从天花板进行运动，然后穿越整个空间到达地面，从地面再进行运动，再回到天花板。这样就组成了一个电子的三维的量子化的回旋轨道。

▲修发贤团队

我国率先发现三维量子霍尔效应

今年，修发贤课题组快于日本和美国的科学家们，率先发现了三维量子霍尔效应。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

三维量子霍尔效应的意义

量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一。修发贤课题组的发现为未来三维空间量子化传输提供了新的思路和实验基础，在拓扑量子计算及低功耗电子器件方面有潜在应用价值——“就是我们可以在自旋、光电探测方面可以做一些原型器件，比如说在一些红外探测，一些遥感这样的领域里边发挥它的作用。”修发贤教授说。

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。