三維量子霍爾效應

1879年，美國物理學家霍爾發現霍爾效應。他對通電的導體加上垂直於電流方向的磁場，電子的運動軌跡將發生偏轉，在導體的縱向方向產生電壓，這個電磁現象就是“霍爾效應”。如果將電子限制在二維平面內，在強大的磁場作用下，電子的運動可以在導體邊緣做一維運動，變得“講規則”“守秩序”。1980年，德國科學家馮·克利青首次在二維體系裏發現了量子霍爾效應，改變了傳統學界對物態和相變的理解，並把拓撲的概念引入到物理學研究裏，量子霍爾效應也成了學術界的寵兒。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，迄今已有四個諾貝爾獎與其直接相關。但一百多年來，科學家們對量子霍爾效應的研究仍停留於二維體系，從未涉足三維領域。

2018年，復旦大學物理學系修發賢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，邁出了從二維到三維的關鍵一步。 ^[3]  2018年12月18日，修發賢課題組關於三維量子霍爾效應的相關研究成果以《砷化鎘中基於外爾軌道的量子霍爾效應》（“Quantum Hall effect based on Weyl orbits inCd3As2”）為題在線發表於《自然》（Nature， DOI：10.1038/s41586-018-0798-3。）雜誌上。這是歷史上首次發現的來自三維電子軌道的量子霍爾效應。 ^[1] 

2019年5月9日，中國科學技術大學喬振華課題組與南方科技大學張立源課題組等合作，首次在毫米級的碲化鋯材料上觀測到三維量子霍爾效應，該研究成果發表在國際權威期刊《自然》上，引發學術圈的極大關注。 ^[2]  從2014年起，南方科技大學張立源團隊開始嘗試實驗研究該體系，希望在拓撲性質研究上有所斬獲，卻意外發現碲化鋯也是研究三維體系的理想材料。2017年初，從事相同方向理論研究的中國科學技術大學喬振華團隊與張立源團隊開始密切合作，測試分析了難以計數的來自國內外著名研究機構的樣品，終於在該三維宏觀材料上觀測到量子霍爾效應。

在應用方面，砷化鎘這個材料體系具有非常高的遷移率，電子的傳輸和響應很快，可以在紅外探測、電子自旋方面做一些原型器件。是凝聚態物理領域重要的科學進展。 ^[2]