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，南方滚球体育 大学的张立源副教授以及中国滚球体育 大学的乔振华教授联合新加坡滚球体育 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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