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　　從20世紀(jì)80年代初在二維電子體系中被發(fā)現(xiàn)至今,，量子霍爾效應(yīng)作為超導(dǎo)之外的另一個(gè)著名宏觀量子現(xiàn)象在凝聚態(tài)物理中催生出了一個(gè)越趨活躍的研究領(lǐng)域,。其內(nèi)在本質(zhì)，是將數(shù)學(xué)中的拓?fù)涓拍钜胛锢?，超越了Landau根據(jù)對(duì)稱性破缺理論對(duì)物質(zhì)分類的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),，為近年的拓?fù)湮飸B(tài)與拓?fù)洳牧系目焖侔l(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
　　量子霍爾效應(yīng)是否只存在于二維體系,？這個(gè)基礎(chǔ)問題從二維量子霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后不久即引起領(lǐng)域的關(guān)注,。早在1987年，Bertrand Halperin從理論上就預(yù)言了三維量子霍爾效應(yīng)的存在和它的測(cè)量特征,。但要驗(yàn)證這個(gè)新奇效應(yīng),，對(duì)材料體系與測(cè)量手段的要求都非常高；盡管已有諸多嘗試,，實(shí)驗(yàn)上仍缺乏可信的觀測(cè)證據(jù),。
　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計(jì)中心（ICQD）和物理系教授喬振華與南方科技大學(xué)教授張立源、新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)教授楊聲遠(yuǎn),、美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)教授楊昆,、麻省理工學(xué)院教授Patrick A. Lee以及布魯海文國家實(shí)驗(yàn)室教授Genda Gu等進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)合作，在碲化鋯（ZrTe5）塊體單晶體材料中首次觀測(cè)到三維量子霍爾效應(yīng)的明確證據(jù),，并指出該效應(yīng)可能是由于磁場下相互作用產(chǎn)生的電荷密度波誘導(dǎo)的,。這一研究成果5月9日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
　　在層狀碲化鋯材料中,，垂直磁場的出現(xiàn)使得體內(nèi)電子在垂直磁場的平面中形成朗道能級(jí),，如圖1正上方的圓圈所示；而在側(cè)邊界,，存在手性傳輸?shù)碾娏?。在垂直磁場的平面?nèi)，邊界電子形成單向傳輸?shù)倪吘墤B(tài),，如圖1最上層的側(cè)邊所示,。產(chǎn)生該效應(yīng)的關(guān)鍵是電子之間的關(guān)聯(lián)作用導(dǎo)致電荷密度波的形成。無論二維還是三維量子霍爾效應(yīng),，系統(tǒng)的體相都必須是絕緣的,。對(duì)于三維體系，由于沿著磁場方向的電子運(yùn)動(dòng)不受磁場影響,，一個(gè)初始的金屬態(tài)在弱電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)下是無法變成絕緣體的,。而當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入僅有一個(gè)Landau能級(jí)被占據(jù)的量子極限區(qū)域，電子之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)大大增強(qiáng),，導(dǎo)致費(fèi)米面的不穩(wěn)定,。其結(jié)果是形成了一種奇特的量子態(tài)—電荷密度波，即電子的密度沿著磁場方向以一定的周期振蕩，整個(gè)體系轉(zhuǎn)化為三維量子霍爾絕緣體,。
　　碲化鋯是一種各向異性較強(qiáng)的三維層狀材料,，如圖2（a）所示。碲原子和鋯原子沿著x方向形成一維原子鏈,，該原子鏈沿著y方向堆疊為一層,，xy面內(nèi)的原子層再沿著z方向堆疊成為體材料。費(fèi)米面的形狀盡管存在各向異性,，但還是一個(gè)封閉的橢球面，如圖2（b）所示,，所以整個(gè)體系仍為三維系統(tǒng),。
　　當(dāng)沿著z方向施加磁場時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到一系列電阻振蕩,。尤其重要的是,，當(dāng)體系進(jìn)入量子極限區(qū)域時(shí)，縱向電阻為零,，而霍爾電阻的數(shù)值和z方向的費(fèi)米波矢相關(guān)聯(lián),，如圖2（c）所示。這一奇特行為,，與Halperin在1987年預(yù)言的三維量子霍爾效應(yīng)的特征完全一致,。
　　綜上所述，這一工作終于將經(jīng)歷了30余年等待的三維量子霍爾效應(yīng)這一預(yù)言展現(xiàn)于世人面前,。在這個(gè)效應(yīng)中,，由于維度的不同，現(xiàn)象背后的微觀物理機(jī)制也展現(xiàn)其新穎與誘人的方面,。該發(fā)現(xiàn)有望為未來的凝聚態(tài)物理的發(fā)展注入新的活力,。
　　張立源、喬振華和楊聲遠(yuǎn)為論文的共同通訊作者,；南方科技大學(xué)博士生湯方棟和中國科大物理系博士生任亞飛為共同第一作者,。
　　上述研究得到國家自然科學(xué)基金委、科技部,、中組部,、中科院和安徽省的資助。
　　論文鏈接
 
　　圖1：三維量子霍爾效應(yīng)及電荷密度波示意圖,。由于磁場效應(yīng),，體內(nèi)電子在面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形成朗道能級(jí)，如上方圓圈所示,。在僅有一個(gè)Landau能級(jí)被占據(jù)的量子極限下,，更強(qiáng)的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)致電荷密度波的形成，并進(jìn)而使得體系轉(zhuǎn)化為三維量子霍爾絕緣體。
 
　　圖2：a: ZrTe5的晶格結(jié)構(gòu),。b：實(shí)驗(yàn)測(cè)量的費(fèi)米面形狀,。該費(fèi)米面是封閉的，表征該電子體系的三維特性,。c: 三維量子霍爾現(xiàn)象,。