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，迄今已有四个诺贝尔奖与其直接相关。但是三维量子霍尔效应一百多年来都是科学家们心中的一片圣地，直到去年12月，我国复旦大学物理学系修发贤课题组才公布，人类首次观测到三维量子霍尔效应。

 

　　而近日，中国科技大学与其合作团队在《自然》刊登论文表示，他们通过实验验证了三维量子霍尔效应，并发现了金属-绝缘体的转换。

 

　　电信号与磁信号转换的桥梁

 

　　之前，科学家对于量子霍尔效应的研究仅仅停留于二维体系，而对于三维体系也只有无尽的猜测。修发贤团队发现了由三维“外尔轨道”形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据，迈出了量子霍尔效应从二维到三维的关键一步。

 

　　此次，中国科技大学的合作研究团队紧随其后，进一步证实了三维量子霍尔效应并验证了显著的拓扑绝缘体现象。

 

　　霍尔效应由美国物理学家E.霍尔于1879年在实验中发现，以其人名命名并流传于世。其核心理论就是，带电粒子（例如电子）在磁场中运动时会受到洛伦兹力的作用发生偏转，那么在磁场中的电流也有可能发生偏转。当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，在导体两端堆积电荷从而在导体内部产生电场，其方向垂直于电流和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力相平衡时，载流子不再偏转。而此时半导体的两端会形成电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。

 

　　总的来说，霍尔效应其实是电信号与磁信号的桥梁，任何电信号转换为磁信号的地方都可以有霍尔传感器。

 

　　这个看似高深的概念，其实和我们的生活很近：比如我们将霍尔元件放在汽车中，可以测量发动机的转速，车轮的转速及方向位移；再比如，将霍尔元件放在电动自行车中，可以做成控制电动车行进速度的转把。

 

　　量子霍尔效应停留在二维空间

 

　　在霍尔效应发现100年后的1980年，德国青年教师克劳斯·冯·克利青通过理论分析和实验发现了整数量子霍尔效应，将霍尔效应带到了量子的领域。

 

　　冯·克利青发现，量子霍尔效应一般都是在超低温和强磁场等极端条件下出现。在极端条件下，电子的偏转不再像普通霍尔效应中一样，而是变得更加剧烈并且偏转半径变得很小，仿佛就在导体内部围绕着某点转圈圈。也就是说，导体中间的部分电子被“锁住了”，要想导通电流只能走导体的边缘。因为这些发现，他在1985年获得诺贝尔物理学奖。

 

　　虽然量子霍尔效应是诺贝尔奖的常客，但相关研究仅限于二维量子系统中。毕竟我们生活在三维空间中，如果延伸到三维系统中，量子霍尔效应会有怎样的不同？

 

　　另辟蹊径验证三维量子霍尔效应

 

　　之前实现三维量子霍尔效应的思路，主要将二维量子系统进行堆叠。但这样得到的只是准二维量子霍尔效应，并没有观测到明显的量子霍尔电阻以及电子在空间的震荡。

 

　　我国科学家另辟蹊径，选择了不一样的材料。修发贤课题组选择的是砷化镉楔形纳米结构，中国科技大学团队选择的是碲化锆三维晶体。这些被认为是拓扑绝缘体的三维纳米结构，已有科学家在其中观测到与二维量子霍尔效应类似的现象，即其一个方向的电阻呈现台阶式变化，另一个方向的电阻呈现震荡。而我们分别在世界上首次实现对三维量子霍尔效应的观测和验证。

 

　　在这次研究中，中国科技大学团队还将材料的导电特性进行了“大扫描”，得出了金属-绝缘体的转换规律：人们能够通过控制温度和外加磁场实现金属-绝缘体的转化。这种原理可以用来制造“量子磁控开关”等电子元器件。三维量子霍尔效应材料中的电子迁移率都很快，电子能快速传输和响应，在红外探测、电子自旋器件等方面拥有应用前景。再次，三维量子霍尔效应因具有量子化的导电特性，还能应用于特殊的载流子传输系统。

 

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