很多年来，科学家们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系。为实现这一领域的突破，复旦大学物理学系修发贤带领其课题组在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据，迈出了从二维到三维的关键一步。相关研究成果于北京时间12月18日零点在线发表于《自然》主刊。

给电子“定规矩”何为量子霍尔效应?

通常，电子在导体中的运动是随机的。当在导体两端施加电压时，电子会在电场作用下做定向运动。如果此时施加一个垂直方向的磁场，导体中的电子会受到洛仑兹力的作用，运动轨迹会发生偏移，电荷在导体材料两侧不断积累，从而产生霍尔电压也即“霍尔效应”。

如果将电子限制在二维平面内，在低温强磁场的极端条件下，导体的边界上会出现导电通道：边缘的电子转圈转到一半就会遇到边界，受到反弹，再次做半圆运动，由此不断前进，最终形成定向运动的一维导电通道，这种效应称为量子霍尔效应。

灵感源于生活

发现来源于外尔轨道的运动机制

修发贤团队中有两员大将，也同为刊发论文的第一作者。其中，张成主要研究拓扑量子材料的输运特性，袁翔主要从事拓扑量子材料的磁光特性研究。“我们在砷化镉纳米片中看到这一现象时，非常震惊，三维体系里边怎么会出现量子霍尔效应？”很快，修发贤及其团队将这一发现发表在了《自然·通讯》上，但基于当时的实验结果，实际的电子运动机制并不明确。于是，课题组决定打破砂锅问到底。

“我们把‘房子’放歪”实验材料虽小，灵感却可以从日常生活而来。修发贤课题组想了一个办法，他们创新性地利用楔形样品实现可控的厚度变化。“屋顶被倾斜了，房子内部上下表面的距离就会发生变化。”修发贤比划出一个“横倒的梯形”。

通过测量量子霍尔平台出现的磁场，可以用公式推算出量子霍尔台阶。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。

“电子在上表面走一段四分之一圈，穿越到下表面，完成另外一个四分之一圈后，再穿越回上表面，形成半个闭环，这个隧穿行为也是无耗散的，所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。”修发贤说，整个轨道就是三维的“外尔轨道”，是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源。

新突破开发全新应用场景

修发贤表示，课题的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，必须有很高的迁移率。课题组从2014年开始生长这个材料，经过差不多5年的摸索，可以达到厚度的可控性（50-100纳米),迁移率达到10万。第二个难点在于，测量必须在极端条件下进行：低温和强磁场。温度在几十毫K（也就是零下270多度）。强磁场三十多特斯拉（地磁场的百万倍）。

“我们的这个研究属于自由探索型的基础研究，在凝聚态物理方面，我们发现了三维量子霍尔效应，可以为今后的进一步科研探索提供一定的实验基础。另外，在应用方面这个材料体系具有非常高的迁移率，电子的传输和响应很快，可以在红外探测、电子自旋方面做一些原型器件。”修发贤表示，这一发现为未来三维空间电子的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的应用价值。

审核：管晶晶