南科大&中科大等高校聯手Nature: 實驗論證三維系統中量子霍爾效應

【引言】

在二維系統中，人們對量子霍爾效應（QHE）已經進行了深入的研究。而隨著QHE在二維電子系統中被發現，拓撲學在凝聚態物理領域也起著越來越重要的研究作用。雖然在三維系統中產生QHE的可能性早在數十年前就已經被提出，實驗方面的驗證工作卻遲遲沒有顯著的進展。目前，為了實現三維系統中的QHE，最直接的方式是將二維QHE層沿著z軸進行堆疊。但是這類系統仍屬于準二維的范疇。因此，從嚴格意義上來說，在三維系統中實現QHE依然是不小的挑戰。

【成果簡介】

近期，南方科技大學的張立源副教授以及中國科技大學的喬振華教授聯合新加坡科技設計大學的楊聲遠（共同通訊作者）等人報道了在三維碲化鋯（ZrTe₅）晶體中實現三維QHE的工作。研究人員在磁場中對碲化鋯塊體進行了低溫電子輸運測量，并使得在低磁場中只有最低的朗道能級被占據，實現了極端的量子極限。正是在這樣的情況下中，研究人員觀察到了接近于零的能量非耗散縱向電阻率，并伴隨著與費米半波長成比例的霍爾電阻plateau。這一現象正是三維QHE的特征，也進一步表明，量子極限中的增強作用效應能夠驅動費米面不穩定性。通過增強磁場，研究人員還發現縱向和霍爾電阻均顯著增加并表現出金屬-絕緣體轉變，意味著磁場驅動能夠實現量子相轉變。這些發現為實現三維QHE提供了實驗證據，也能為進一步研究三維系統中的量子相及其轉變提供平臺。2019年05月08日，相關成果以題為“Three-dimensional quantum Hall effect and metal–insulator transition in ZrTe₅”的文章在線發表在Nature上。

【圖文導讀】

圖1 輸運特性的溫度依賴性研究

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圖2 碲化鋯中費米面的拓撲學及其形貌研究

圖3 邊緣態的三維QHE以及輸運特性

圖4 金屬-絕緣體轉變及相圖研究

文獻鏈接：Three-dimensional quantum Hall effect and metal–insulator transition in ZrTe5（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-019-1180-9）

本文由材料人學術組NanoCJ供稿。

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