香港文匯報訊 綜合新華社、人民網及觀察者網報道，一百多年來，科學家對量子霍爾效應的研究仍停留於二維體系。近日，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。
相關研究成果18日於《自然》（Nature）在線發表。
助極低能耗芯片製備
量子霍爾效應研究的不斷突破，有望在未來電子器件中發揮特殊作用：無需高強磁場，就可以製備低能耗的高速電子器件，例如極低能耗的芯片。
美國物理學家霍爾發現，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」。但以往實驗證明，量子霍爾效應只會在二維或準二維體系中發生。
觀測領先日美科學家
2016年10月，修發賢及其團隊第一次用高質量的三維砷化鎘納米片觀測到了量子霍爾效應，修發賢形容：「就像是目睹汽車飛到空中那樣又驚又喜。」隨後，日本和美國科學家在同樣的體系中觀測到這一效應，但實際的電子運動機制在當時並不明確。
在實驗中，面對快如閃電的電子運動速度，修發賢課題組創新性地利用楔形樣品實現可控的厚度變化。「我們把電子運動的『房子』放歪了，屋頂被傾斜了，房子內部上下表面的距離就會發生變化。」修發賢說，實驗發現，電子在其中的運動軌道能量直接受到樣品厚度的影響，這說明隨着樣品厚度的變化，電子的運動時間也在變。所以，電子在做與樣品厚度相關的縱向運動，其隧穿行為被證明了。
修發賢說，整個軌道就是三維的「外爾軌道」，是砷化鎘納米結構中量子霍爾效應的來源。至此，三維量子霍爾效應的奧秘終於被揭開。
量子霍爾效應被稱作是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4個諾貝爾獎與其直接相關。課題組表示，三維量子霍爾效應的發現，能夠為將來進一步的科研探索提供實驗基礎。