■本報(bào)記者 黃辛 通訊員 龔凡
“你說這么薄算二維嗎？”復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授修發(fā)賢拿起一張A4紙：“這個(gè)厚度最起碼已經(jīng)到幾十微米了，但真正的二維是幾個(gè)原子層厚，僅有幾納米，是紙張厚度的萬分之一。”
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4個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)與其直接相關(guān)。但100多年來，科學(xué)家們對量子霍爾效應(yīng)的研究仍停留于二維體系，從未涉足三維領(lǐng)域。
修發(fā)賢課題組近日在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，在拓?fù)浒虢饘偕榛k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(yīng)的直接證據(jù)，邁出了從二維到三維的關(guān)鍵一步。
12月18日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然》。
給電子“定規(guī)矩”
三維量子霍爾效應(yīng)真的存在嗎
早在130多年前，美國物理學(xué)家霍爾就發(fā)現(xiàn)，對通電的導(dǎo)體加上垂直于電流方向的磁場，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)體的縱向方向產(chǎn)生電壓，這個(gè)電磁現(xiàn)象就是“霍爾效應(yīng)”。如果將電子限制在二維平面內(nèi)，在強(qiáng)大的磁場作用下，電子的運(yùn)動(dòng)可以在導(dǎo)體邊緣做一維運(yùn)動(dòng)，變得“講規(guī)則”“守秩序”。
但以往的實(shí)驗(yàn)證明，量子霍爾效應(yīng)只會(huì)在二維或者準(zhǔn)二維體系中發(fā)生。“比如說這間屋子，除了上表面、下表面，中間還存在一個(gè)空間。”修發(fā)賢用手上下比劃著。人們知道，在“天花板”或者“地面”上，電子可以沿著“邊界線”有條不紊地做著規(guī)則運(yùn)動(dòng)，一列朝前，一列向后，像是兩列在各自軌道上疾馳的列車。那么，在立體空間中呢？
三維體系中存在量子霍爾效應(yīng)嗎？如果有，電子的運(yùn)動(dòng)機(jī)制是什么？
觀測到量子霍爾效應(yīng)
但電子運(yùn)動(dòng)機(jī)制并不明確
6年前，修發(fā)賢加入復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系。2014年，在拓?fù)浒虢饘兕I(lǐng)域，他選擇了材料體系非常好的砷化鎘“試著研究一下”，誰料“一發(fā)不可收拾”。從大塊的體材料，到大片的薄膜，再到納米類結(jié)構(gòu)和納米單晶，他帶著學(xué)生們孜孜不倦地深耕于此，樂此不疲。
“我們在砷化鎘納米片中看到這一現(xiàn)象時(shí)非常震驚，三維體系里邊怎么會(huì)出現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)？”2016年10月，修發(fā)賢及其團(tuán)隊(duì)第一次用高質(zhì)量的三維砷化鎘納米片觀測到量子霍爾效應(yīng)時(shí)，就像目睹汽車飛到空中那樣又驚又喜。
很快，他們的這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了《自然—通訊》上。隨后，在樣品制備過程中借鑒修發(fā)賢團(tuán)隊(duì)前期已發(fā)表的經(jīng)驗(yàn)，日本和美國也有科學(xué)家在同樣的體系中觀測到了這一效應(yīng)。但遺憾的是，基于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際的電子運(yùn)動(dòng)機(jī)制并不明確。
課題組提出了他們的猜想：一種可能的方式是從上表面到下表面的體態(tài)穿越，電子做了垂直運(yùn)動(dòng)；另一種可能是電子在上下兩個(gè)表面，即在兩個(gè)二維體系中，分別獨(dú)立形成了量子霍爾效應(yīng)。
研究人員決定“打破砂鍋問到底”。但是，面對千分之一根頭發(fā)絲粗細(xì)的實(shí)驗(yàn)材料和快如閃電的電子運(yùn)動(dòng)速度，這實(shí)驗(yàn)該怎么做？
把“房子”放歪
發(fā)現(xiàn)來源于外爾軌道的運(yùn)動(dòng)機(jī)制
“我們把‘房子’放歪了！”實(shí)驗(yàn)材料雖小，靈感卻可以從日常生活而來。修發(fā)賢課題組想了一個(gè)辦法，他們創(chuàng)新性地利用楔形樣品實(shí)現(xiàn)可控的厚度變化。“屋頂被傾斜了，房子內(nèi)部上下表面的距離就會(huì)發(fā)生變化。”修發(fā)賢比劃出一個(gè)“橫倒的梯形”。
通過測量量子霍爾平臺(tái)出現(xiàn)的磁場，可以用公式推算出量子霍爾臺(tái)階。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電子在其中的運(yùn)動(dòng)軌道能量直接受到樣品厚度的影響。這說明，隨著樣品厚度的變化，電子的運(yùn)動(dòng)時(shí)間也在變。所以，電子在做與樣品厚度相關(guān)的縱向運(yùn)動(dòng)，其隧穿行為被證明了。
“電子在上表面走四分之一圈，穿越到下表面，完成另外一個(gè)四分之一圈后，再穿越回上表面，形成半個(gè)閉環(huán)，這個(gè)隧穿行為是無耗散的，所以可以保證電子在整個(gè)回旋運(yùn)動(dòng)中仍然是量子化的。”修發(fā)賢說，整個(gè)軌道就是三維的“外爾軌道”，是砷化鎘納米結(jié)構(gòu)中量子霍爾效應(yīng)的來源。
至此，三維量子霍爾效應(yīng)的奧秘終于被揭開了。
對于這次成果的誕生，修發(fā)賢覺得，在砷化鎘的研究方面，這才剛剛開始。
“這是一個(gè)作品，我們第一次提出了新的機(jī)制，也得到了認(rèn)可。但還有可以深挖的，還有更具體的東西，我想得繼續(xù)做細(xì)做好。”他表示。
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