实验论证三维系统中量子霍尔效应

来源：南方科技大学物理系官网

原标题：Nature:南科大&中科大等高校强强联手，实验论证三维系统中量子霍尔效应

DOI:10.1038/s41586-019-1180-9

2019年5月8日，国际顶尖学术期刊《Nature》发表了主要由南方科技大学物理系和中国科技大学物理学院共同完成的题为“Three-dimensional quantum Hall effect and metal-insulator transition in ZrTe5”的研究论文，这一结果从实验上证实了现哈佛大学理论物理学家Bertrand Halperin在1987年给出的关于三维电子气体系中量子霍尔效应的理论预测。美国布鲁克海文国家实验室、佛罗里达强磁场实验室、麻省理工大学、新加坡技术和设计大学和中国人民大学为参与单位，南方科技大学张立源副教授、中国科技大学乔振华教授和新加坡技术和设计大学杨声远教授为共同通讯作者。

在凝聚态物理学中，对于对称性，相互作用，拓扑性，以及维度（或自由度）的理解是永恒的研究课题，也是当前固体物理和器件应用的研究热点。从1980年开始，量子霍尔效应的发现开启了研究物理学中拓扑相变的新时代，也深刻地改变了人们对相变、对称性和相互作用的理解。特别是最近10年来，拓扑量子物态相关的研究已经成为当前凝聚态物理领域里最活跃的课题之一。ZrTe5材料因其超高的迁移率，超低载流子浓度，和多种珍奇的拓扑能带特征，成为了一种用来研究拓扑量子相变的理想材料体系。

首先，对于电阻率反常峰（Tp）在95K左右的ZrTe5样品（图1.a），作者通过细致的低温量子输运测量，并结合各个轴向的量子振荡分析，得到了非常清晰的费米面拓扑结构（图1.b）。尽管ZrTe5的费米面存在非常强的各向异性，但其本身闭合的费米面结构仍然很好地说明了体系是属于完完全全的三维系统。

图1. ZrTe5单晶（Tp ~95K）的（a）降温曲线和（b）三维费米面结构

然后，研究组在低温下的输运测量中，发现了非常明显的量子霍尔平台（图2.a）。通过仔细分析平台量子化电阻值和样品厚度之间的依赖关系，研究组指出，量子霍尔层的周期λ_Q正好为材料z方向费米波长λ_(F,z)的1/2（图2.b），这很好地证明了三维电子气在磁场调制下形成电荷密度波（CDW）结构的物理图像。理论模拟三维电子气在强磁场下的行为，可以清晰看到电子气形成一层一层的量子层结构（图2.b插图）。此外，z方向的非欧姆性输运行为也给出了CDW存在的很强证据。

图2.（a）ZrTe5单晶中的三维量子霍尔效应。（b）z方向的CDW周期λ_Q和费米波长λ_(F,z)。插图是三维电子气在磁场下形成二维导电层的模拟。

最后，在体系进入量子极限后，研究组观测到了非常明显的金属绝缘体相变行为（图3.a）。体系存在一个典型的零温量子临界点，为量子相变，并可以画出体系的电子相图（图3.b），这些结果为将来研究三维电子气中的电子电子相互作用效应提供了很好的参考。 

图3.（a）ZrTe5单晶中金属绝缘体相变的标度行为。（b）体系的电子相图。

张立源副教授分享了他的感受：这项工作能够顺利展开，一方面是研究生的勤奋工作和不懈努力，细致地分析和解决研究过程中碰到的各种问题。另一方面，研究过程中的合作，沟通和讨论是必不可少的。现在的科学研究越来越注重团队合作，单单一个人的努力往往是非常有限的，许多人在一起各自发挥自己的优势就可以把一个事情做得更好。我们很幸运地，和中国科技大学的乔振华研究组，新加坡技术与设计大学（Singapore University of Technology and Design）的杨声远老师，布鲁克海文国家实验室的顾根大研究组，弗罗里达州立大学和美国强磁场中心的杨昆老师，麻省理工学院的李雅达（Patrick A Lee）老先生一起合作。我们希望这项工作能够将量子霍尔效应的研究从二维体系向三维体系的进行新的拓展，而三维体系比二维体系更加复杂和无法预料，这将带来更加丰富多彩的物理现象。

这项工作得到了广东省创新创业团队计划、深圳孔雀团队、深圳市科创委基础研究(学科布局)项目基金等专项基金的大力支持。