南方科大/中科大Nature：实验证实三维量子霍尔效应！

第一作者：Fangdong Tang, Yafei Ren

通讯作者：Liyuan Zhang、Zhenhua Qiao、Shengyuan A. Yang

通讯单位：南方科技大学、中国科学技术大学、新加坡科技设计大学

研究亮点：

1. 实验上证实三维量子霍尔效应。

2. 发现金属-绝缘体转变。

20世纪80年代，科学家在二维电子系统中发现量子霍尔效应（QHE），使得拓扑在凝聚态物理中发挥核心作用。几十年来，不断有理论预测将QHE拓展到三维电子体系的可能性，但始终未能通过实验证明。

有鉴于此，南方科技大学Liyuan Zhang、中国科学技术大学Zhenhua Qiao以及新加坡科技设计大学Shengyuan A. Yang等团队及其合作者在实验上从体相ZrTe₅晶体中发现了三维量子霍尔效应。

图1. 温度依赖的传输性能

要点1：3D QHE响应

研究人员在磁场下对块状ZrTe₅晶体进行低温电传输测量，并在相对较低的磁场下实现计算量子极限，仅占用最低的Landau能级。在此区域，研究人员观察到无耗散纵向电阻率，接近于零，与霍尔电阻率平台中沿场方向的费米波长的一半成比例。这种响应具有3D QHE特征，强烈表明了在极端量子极限下，费米表面不稳定性受增强的相互作用效应驱动。

图2. ZrTe₅费米表面的拓扑和形貌

图3. 边界态的3D QHE和传输特征

要点1：金属-绝缘体转变

通过进一步增加磁场，纵向和霍尔电阻率都显著增加并且显示出金属-绝缘体转变行为，这表明了磁场驱动的另一个量子相变。

图4. 金属-绝缘体转变

小结

总之，这项研究结果为3D QHE提供了可靠的实验证据，为进一步探索3D系统中的奇异量子相和跃迁提供了有用的平台。

参考文献：

FangdongTang, Yafei Ren, Shengyuan A. Yang, Zhenhua Qiao, Liyuan Zhang et al. Three-dimensionalquantum Hall effect and metal–insulator transition in ZrTe₅. Nature2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1180-9