南科大&中科大等高校联手Nature: 实验论证三维系统中量子霍尔效应

【引言】

在二维系统中，人们对量子霍尔效应（QHE）已经进行了深入的研究。而随着QHE在二维电子系统中被发现，拓扑学在凝聚态物理领域也起着越来越重要的研究作用。虽然在三维系统中产生QHE的可能性早在数十年前就已经被提出，实验方面的验证工作却迟迟没有显著的进展。目前，为了实现三维系统中的QHE，最直接的方式是将二维QHE层沿着z轴进行堆叠。但是这类系统仍属于准二维的范畴。因此，从严格意义上来说，在三维系统中实现QHE依然是不小的挑战。

【成果简介】

近期，南方科技大学的张立源副教授以及中国科技大学的乔振华教授联合新加坡科技设计大学的杨声远（共同通讯作者）等人报道了在三维碲化锆（ZrTe₅）晶体中实现三维QHE的工作。研究人员在磁场中对碲化锆块体进行了低温电子输运测量，并使得在低磁场中只有最低的朗道能级被占据，实现了极端的量子极限。正是在这样的情况下中，研究人员观察到了接近于零的能量非耗散纵向电阻率，并伴随着与费米半波长成比例的霍尔电阻plateau。这一现象正是三维QHE的特征，也进一步表明，量子极限中的增强作用效应能够驱动费米面不稳定性。通过增强磁场，研究人员还发现纵向和霍尔电阻均显著增加并表现出金属-绝缘体转变，意味着磁场驱动能够实现量子相转变。这些发现为实现三维QHE提供了实验证据，也能为进一步研究三维系统中的量子相及其转变提供平台。2019年05月08日，相关成果以题为“Three-dimensional quantum Hall effect and metal–insulator transition in ZrTe₅”的文章在线发表在Nature上。

【图文导读】

图1 输运特性的温度依赖性研究

图2 碲化锆中费米面的拓扑学及其形貌研究

图3 边缘态的三维QHE以及输运特性

图4 金属-绝缘体转变及相图研究

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

本文由材料人学术组NanoCJ供稿。

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