第二看臺(tái)
量子霍爾效應(yīng)是20世紀(jì)以來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，迄今已有四個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)與其直接相關(guān)。但是三維量子霍爾效應(yīng)一百多年來都是科學(xué)家們心中的一片圣地，直到去年12月，我國(guó)復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢課題組才公布，人類首次觀測(cè)到三維量子霍爾效應(yīng)。
而近日，中國(guó)科技大學(xué)與其合作團(tuán)隊(duì)在《自然》刊登論文表示，他們通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三維量子霍爾效應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)了金屬-絕緣體的轉(zhuǎn)換。
電信號(hào)與磁信號(hào)轉(zhuǎn)換的橋梁
之前，科學(xué)家對(duì)于量子霍爾效應(yīng)的研究?jī)H僅停留于二維體系，而對(duì)于三維體系也只有無盡的猜測(cè)。修發(fā)賢團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了由三維“外爾軌道”形成的新型三維量子霍爾效應(yīng)的直接證據(jù)，邁出了量子霍爾效應(yīng)從二維到三維的關(guān)鍵一步。
此次，中國(guó)科技大學(xué)的合作研究團(tuán)隊(duì)緊隨其后，進(jìn)一步證實(shí)了三維量子霍爾效應(yīng)并驗(yàn)證了顯著的拓?fù)浣^緣體現(xiàn)象。
霍爾效應(yīng)由美國(guó)物理學(xué)家E.霍爾于1879年在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，以其人名命名并流傳于世。其核心理論就是，帶電粒子（例如電子）在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，那么在磁場(chǎng)中的電流也有可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)體兩端堆積電荷從而在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)，其方向垂直于電流和磁場(chǎng)的方向。當(dāng)電場(chǎng)力和洛倫茲力相平衡時(shí)，載流子不再偏轉(zhuǎn)。而此時(shí)半導(dǎo)體的兩端會(huì)形成電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢(shì)差也被稱為霍爾電勢(shì)差。
總的來說，霍爾效應(yīng)其實(shí)是電信號(hào)與磁信號(hào)的橋梁，任何電信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁信號(hào)的地方都可以有霍爾傳感器。
這個(gè)看似高深的概念，其實(shí)和我們的生活很近：比如我們將霍爾元件放在汽車中，可以測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，車輪的轉(zhuǎn)速及方向位移；再比如，將霍爾元件放在電動(dòng)自行車中，可以做成控制電動(dòng)車行進(jìn)速度的轉(zhuǎn)把。
量子霍爾效應(yīng)停留在二維空間
在霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)100年后的1980年，德國(guó)青年教師克勞斯·馮·克利青通過理論分析和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，將霍爾效應(yīng)帶到了量子的領(lǐng)域。
馮·克利青發(fā)現(xiàn)，量子霍爾效應(yīng)一般都是在超低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)等極端條件下出現(xiàn)。在極端條件下，電子的偏轉(zhuǎn)不再像普通霍爾效應(yīng)中一樣，而是變得更加劇烈并且偏轉(zhuǎn)半徑變得很小，仿佛就在導(dǎo)體內(nèi)部圍繞著某點(diǎn)轉(zhuǎn)圈圈。也就是說，導(dǎo)體中間的部分電子被“鎖住了”，要想導(dǎo)通電流只能走導(dǎo)體的邊緣。因?yàn)檫@些發(fā)現(xiàn)，他在1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
雖然量子霍爾效應(yīng)是諾貝爾獎(jiǎng)的常客，但相關(guān)研究?jī)H限于二維量子系統(tǒng)中。畢竟我們生活在三維空間中，如果延伸到三維系統(tǒng)中，量子霍爾效應(yīng)會(huì)有怎樣的不同？
另辟蹊徑驗(yàn)證三維量子霍爾效應(yīng)
之前實(shí)現(xiàn)三維量子霍爾效應(yīng)的思路，主要將二維量子系統(tǒng)進(jìn)行堆疊。但這樣得到的只是準(zhǔn)二維量子霍爾效應(yīng)，并沒有觀測(cè)到明顯的量子霍爾電阻以及電子在空間的震蕩。
我國(guó)科學(xué)家另辟蹊徑，選擇了不一樣的材料。修發(fā)賢課題組選擇的是砷化鎘楔形納米結(jié)構(gòu)，中國(guó)科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)選擇的是碲化鋯三維晶體。這些被認(rèn)為是拓?fù)浣^緣體的三維納米結(jié)構(gòu)，已有科學(xué)家在其中觀測(cè)到與二維量子霍爾效應(yīng)類似的現(xiàn)象，即其一個(gè)方向的電阻呈現(xiàn)臺(tái)階式變化，另一個(gè)方向的電阻呈現(xiàn)震蕩。而我們分別在世界上首次實(shí)現(xiàn)對(duì)三維量子霍爾效應(yīng)的觀測(cè)和驗(yàn)證。
在這次研究中，中國(guó)科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)還將材料的導(dǎo)電特性進(jìn)行了“大掃描”，得出了金屬-絕緣體的轉(zhuǎn)換規(guī)律：人們能夠通過控制溫度和外加磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)金屬-絕緣體的轉(zhuǎn)化。這種原理可以用來制造“量子磁控開關(guān)”等電子元器件。三維量子霍爾效應(yīng)材料中的電子遷移率都很快，電子能快速傳輸和響應(yīng)，在紅外探測(cè)、電子自旋器件等方面擁有應(yīng)用前景。再次，三維量子霍爾效應(yīng)因具有量子化的導(dǎo)電特性，還能應(yīng)用于特殊的載流子傳輸系統(tǒng)。