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，但100多年來，科學家們(men) 對量子霍爾效應的研究仍停留於(yu) 二維體(ti) 係。

為(wei) 實現這一領域的突破，複旦大學物理學係修發賢帶領其課題組在拓撲半金屬砷化鎘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的直接證據，邁出了從(cong) 二維到三維的關(guan) 鍵一步。相關(guan) 研究成果於(yu) 北京時間12月18日零時在線發表於(yu) 《自然》主刊。

早在130多年前，美國物理學家霍爾就發現，對通電的導體(ti) 加上垂直於(yu) 電流方向的磁場，電子的運動軌跡將發生偏轉，在導體(ti) 的縱向方向產(chan) 生電壓，這個(ge) 電磁現象就是“霍爾效應”。但以往的實驗證明，量子霍爾效應隻會(hui) 在二維或者準二維體(ti) 係中發生。三維體(ti) 係中存在量子霍爾效應嗎？如果有，電子的運動機製是什麽(me) ？

為(wei) 解答這一問題，修發賢團隊在一種特殊的材料體(ti) 係中，也就是拓撲狄拉克半金屬砷化鎘材料裏，觀測到三維量子霍爾效應。該效應與(yu) 傳(chuan) 統的二維量子霍爾不同，存在特殊的電子軌道，稱為(wei) 外爾軌道，電子可以從(cong) 上表麵穿越到下表麵，然後再回到上表麵。

修發賢表示，課題的難點在於(yu) 材料的製備和器件的測量。首先對材料的要求非常高，必須能夠精確控製厚度，必須有很高的遷移率。課題組從(cong) 2014年開始生長這個(ge) 材料，目前可以達到厚度的可控性（50—100納米），遷移率達到10萬(wan) 。第二個(ge) 難點在於(yu) ，測量必須在極端條件下進行：低溫和強磁場。溫度在幾十毫K（也就是零下270多攝氏度），強磁場在30多特斯拉（地磁場的百萬(wan) 倍）。

“我們(men) 的這個(ge) 研究屬於(yu) 自由探索型的基礎研究，在凝聚態物理方麵，我們(men) 發現了三維量子霍爾效應，可以為(wei) 今後的進一步科研探索提供一定的實驗基礎。”修發賢說。