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量子霍尔效应商讨:从二维迈向三维

发布时间:2021-09-21 文章来源:千亿体育app 作者:admin

  “你说这么薄算二维吗?”复旦大学物理学系教授修发贤拿起一张A4纸:“这个厚度最起码已经到几十微米了,但真正的二维是几个原子层厚,仅有几纳米,是纸张厚度的万分之一。”

  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,迄今已有4个诺贝尔奖与其直接相关。但100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,从未涉足三维领域。

  修发贤课题组近日在该领域实现突破,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。

  三维量子霍尔效应线多年前,美国物理学家霍尔就发现,对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场,电子的运动轨迹将发生偏转,在导体的纵向方向产生电压,这个电磁现象就是“霍尔效应”。如果将电子限制在二维平面内,在强大的磁场作用下,电子的运动可以在导体边缘做一维运动,变得“讲规则”“守秩序”。

  但以往的实验证明,量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。“比如说这间屋子,除了上表面、下表面,中间还存在一个空间。”修发贤用手上下比划着。人们知道,在“天花板”或者“地面”上,电子可以沿着“边界线”有条不紊地做着规则运动,一列朝前,一列向后,像是两列在各自轨道上疾驰的列车。那么,在立体空间中呢?

  6年前,修发贤加入复旦大学物理学系。2014年,在拓扑半金属领域,他选择了材料体系非常好的砷化镉“试着研究一下”,谁料“一发不可收拾”。从大块的体材料,到大片的薄膜,再到纳米类结构和纳米单晶,他带着学生们孜孜不倦地深耕于此,乐此不疲。

  “我们把房子放歪了!”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”。


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