让无数科学家争相的「三维量子霍尔效应」是什么

很多朋友对让无数科学家争相的「三维量子霍尔效应」是什么不是很了解，六月小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

电和磁真是好朋友，它们相互重叠，形成了自然界中千变万化的电磁现象，令无数科学家和工程师向往不已。早在19世纪中期，电和磁就登上了历史舞台，主导了第二次工业革命。发电机、收音机等新技术的出现，为当时人类社会的进步提供了源源不断的动力。

然而，电与磁的“纠缠”远没有我们想象的那么简单。有一种神奇的电磁现象叫做“三维量子霍尔效应”，近年来成为研究热点。毫不夸张地说，量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一，迄今为止已经有四个诺贝尔奖与它直接相关。但三维量子霍尔效应一百多年来一直是科学家心目中的一片净土。

中国复旦大学物理系修研究组在人类历史上首次观测到三维量子霍尔效应。该成果于2018年12月以论文形式发表在《自然》杂志上。

时隔半年，南科大、中科大和新加坡科技设计大学也将各自的三维量子霍尔效应实验结果公之于众，结果以论文形式发表在2019年5月8日的《自然》杂志上。与修课题组之前的发现相比，此次发现的亮点在于三维量子霍尔效应得到了实验验证，在ZrTe5上发现了金属-绝缘体转变，在应用方向上更有意义。(来源：自然)

可以说，在修法显研究组发现之前，科学家对量子霍尔效应的研究只停留在二维体系，对三维体系只有无尽的猜测。秀团队发现了三维“Weyl轨道”形成新的三维量子霍尔效应的直接证据，迈出了从二维量子霍尔效应到三维量子霍尔效应的关键一步。

这一次，来自南科大和中国科学技术大学的研究团队紧随其后，进一步证实了三维量子霍尔效应，验证了显著的拓扑绝缘体现象。量子霍尔效应正在成为让无数科学家争夺诺贝尔奖的“三维量子霍尔效应”。这是什么？首先，我们要知道什么是霍尔效应。这一现象是美国物理学家埃德温霍尔(Edwin Hall)在1879年的实验中发现的，并以他的名字流传到全世界。

图埃德温。霍尔(来源维基百科)

这个相对简单的物理现象现在已经进入高中物理课本，其核心理论是带电粒子(如电子)在磁场中运动时会受到洛仑兹力的偏转，因此磁场中的电流也可能发生偏转。当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，电荷在导体两端积累，从而在导体内部产生一个电场，该电场垂直于电流和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力平衡时，载流子不再偏转。

此时半导体两端会形成电位差，这就是霍尔效应。这个电位差也叫霍尔电位差。图霍尔效应a .对带电导体施加垂直于电流方向的磁场，可以使电荷运动发生偏转，在导体的左右两侧积累电荷，产生霍尔电压VH；磁场和霍尔电压作用下电子的受力分析。(来源：英国ALevel-物理教科书)

一般来说，霍尔效应实际上是电信号和磁信号之间的桥梁，任何电信号转化为磁信号的地方都可以找到霍尔传感器。换句话说，这个看似深奥的概念其实离我们的生活很近：比如我们可以通过在车内放置霍尔元件来测量发动机转速、车轮转速、方向位移；再比如，我们把霍尔元件放在小电驴里，可以做成车把来控制电动车的速度，叫做霍尔效应调速器。(来源：互联网)

但需要补充的是，霍尔发现霍尔效应只是当时的一种现象，并没有给出任何关于电子偏移的理论分析。原因是电子直到1897年才被汤姆逊发现，霍尔也没有把它们联系起来。

一百年后的1980年，德国维尔茨堡的青年教师克劳斯冯克里津通过理论分析和实验发现了整数量子霍尔效应。基于一切都可以量子化的想法，他把霍尔效应带到了量子领域，一切都变得不一样了。

冯克利钦(Von Klitsching)发现，量子霍尔效应在极端条件下通常有——的超低温和强磁场，就像他实验中使用的超低温(1.5K)和强磁场(18T):此时，电流中的电子不再像普通霍尔效应中那样简单地偏转，而是它们的偏转变得更加强烈，偏转半径变得非常小，就像是在绕着导体内部的某一点打转一样。

边缘的电子呢？它只能转半圈，然后被磁场偏转，好像通过这样一个弹跳的“路径”穿过导体。总之，导体中间的部分电子被“锁定”，只有导体边缘可以用来传导电流。

图克劳斯冯克利钦获得1985年诺贝尔物理学奖(图片来源：互联网)。不难想象，增大或减小磁场都会改变电子循环的路径。导体的电阻值是否也与外磁场有关？答案是肯定的，我们发现导体的电阻与施加的磁场有关，并呈阶跃变化。如图，红线是量子霍尔电阻的变化，其公式可以写成：图量子霍尔效应中量子霍尔电阻与磁场的关系(来源：维基百科)

在这个公式中，N代表正整数，所以他的发现也被称为整数量子霍尔效应，他也因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。

后来，中国科学家崔琦、霍斯特施特默和阿瑟戈萨德发现了分数量子霍尔效应，他们与罗伯特拉夫林分享了1998年诺贝尔物理学奖。2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫在实验中成功地将石墨烯从石墨中分离出来，并观察到了室温下的量子霍尔效应。二维量子霍尔效应

可以说量子霍尔效应是诺贝尔奖的常客，只要发现相关现象，就有诺贝尔奖的潜力。但其相关的理论研究和应用研究还存在较大差距，很多研究方向都是朝着简化应用条件的方向。如2010年，我国理论物理学家、戴与教授合作，提出了在零磁场下实现反常量子霍尔效应的设想，具有重要的现实意义，可以为实现量子霍尔效应的实际应用提供思路。

但另一个更有意义的研究方向是“三维量子霍尔效应”，因为此前发现的量子霍尔效应只存在于二维量子体系中，电子的表现形式是在平面内转动。如果将系统扩展到三维系统，量子霍尔效应会有怎样的不同？会出现FinFET那样的风暴吗？毕竟我们生活的空间是三维的。我国科学家两次验证三维量子霍尔效应。

人们首先想到的是直接在三维系统中实现量子霍尔效应——，并叠加二维量子系统。但科学之路不是简单暴力的叠加就能走下去的，结果是负面的。我们得到的只是准二维量子霍尔效应(奎阿西QHE)，还没有观测到明显的量子霍尔电阻和电子在空间的振荡，似乎比单个二维系统更差。

在这种背景下，中国科学家找到了新的方法，选择了不同的材料。复旦大学物理系修研究组选择了Cd3As2的楔形纳米结构，中国南方科技大学和中国科学技术大学研究组选择了ZrTe5的三维晶体。两个团队的思路非常清晰，就是三维纳米结构，其中ZrTe5的三维晶体已经被认为是一种拓扑绝缘体，非常适合研究量子霍尔效应。

实验在1.5K下进行，研究人员发现了一种类似于二维量子霍尔效应的现象，即一个方向的电阻呈阶梯状变化，另一个方向的电阻呈波动状。

图丨ZrTe5三维晶体中观测到的三维量子霍尔效应测试结果（来源：此次论文）

观测到现象，还不足以让科学家们开心，一个重要的问题是：二维量子霍尔效应是电子在平面内“转圈”的结果，那三维量子霍尔效应是电子在空间中“转圈”的结果么？答案远比这个复杂。

首先，电子也是在空间内转圈的，只不过这个转圈就变得很“作”了，它们不好好转圈，反而转出了花样。

图丨三维量子霍尔效应电子运动轨迹示意图（来源：互联网）

对于这样的现象，修发贤团队在论文中给出了这样的解释：“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。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。

”玄妙地来说，电子在其中的运动就像是穿越了虫洞一样( 不禁想起《银河护卫队2》 里面勇度和火箭穿越的70 0次星际穿越)。

图丨虫洞模型（来源：互联网）

那么，作为一般读者，我们应该如何理解三维量子霍尔效应的意义？

首先，这肯定是凝聚态物理领域重要的科学进展，也似乎能大胆地竞争一下2020 年的诺奖。其次，在应用方面，量子霍尔效应一直是走在路上，更别说三维量子霍尔效应了，但是理论研究总是超前的，应用恐怕还要等一段时间了。

但是，研究的三维量子霍尔效应材料，它们的电子迁移率都是很快的，电子的传输和响应很快，可以在红外探测、电子自旋器件等方面有应用的前景。再次，三维量子霍尔效应能应用于特殊的载流子传输系统，其量子化的导电特性也能成为特殊的应用。

且在这次的研究中，南方科技大学和中国科技大学的研究团队还将材料的导电特性进行了“大扫描”，在温度T=0.6K~200K、外加磁场B=0~12T的范围内进行了全面诊断，得出了金属-绝缘体的转换规律：

也就是在告诉我们，人们能够通过控制温度和外加磁场实现金属-绝缘体的转化。控制即是应用的方法么，最简单的我们能应用此原理制造“量子磁控开关”等电子元器件。

最后，值得一提的是，三维量子霍尔效应的这两次重要验证均由我国科学家率先实现，也表示着我国在三维量子霍尔效应研究领域占得先手，下一步，中国科学家如果能率先制造出世界上第一个三维量子霍尔效应元件，就会将科学研究推向实际应用层面，扩大优势。

以上就是关于让无数科学家争相的「三维量子霍尔效应」是什么的知识，希望能够帮助到大家！