量子霍尔效应是否只存在于二维体系 碲化锆是什么?

量子霍尔效应是否只存在于二维体系?

这个基础问题从二维量子霍尔效应发现后不久即引起领域的关注。早在1987年，Bertrand Halperin从理论上就预言了三维量子霍尔效应的存在和它的测量特征。但要验证这个新奇效应，对材料体系与测量手段的要求都非常高;尽管已有诸多尝试，实验上仍缺乏可信的观测证据。

合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心(ICQD)和物理系的乔振华教授与南方科技大学张立源教授、新加坡科技设计大学杨声远教授、美国佛罗里达州立大学的杨昆教授、麻省理工学院的Patrick A. Lee教授和布鲁海文国家实验室的Genda Gu教授等理论与实验合作，在碲化锆(ZrTe5)块体单晶体材料中首次观测到三维量子霍尔效应的明确证据，并指出该效应可能是由于磁场下相互作用产生的电荷密度波诱导的。这一重要研究成果5月9日在线发表在国际权威学术期刊《自然》上。

在层状碲化锆材料中，垂直磁场的出现使得体内电子在垂直磁场的平面中形成朗道能级，如图1正上方的圆圈所示;而在侧边界，存在手性传输的电流。在垂直磁场的平面内，边界电子形成单向传输的边缘态，如图1最上层的侧边所示。产生该效应的关键是电子之间的关联作用导致电荷密度波的形成。无论二维还是三维量子霍尔效应，系统的体相都必须是绝缘的。对于三维体系，由于沿着磁场方向的电子运动不受磁场影响，一个初始的金属态在弱电子关联效应下是无法变成绝缘体的。而当系统进入仅有一个Landau能级被占据的量子极限区域，电子之间的关联效应大大增强，导致费米面的不稳定。其结果是形成了一种奇特的量子态—电荷密度波，即电子的密度沿着磁场方向以一定的周期振荡，整个体系转化为三维量子霍尔绝缘体。

碲化锆是什么

碲化锆是一种各向异性较强的三维层状材料，如图2(a)所示。碲原子和锆原子沿着x方向形成一维原子链，该原子链沿着y方向堆叠为一层，xy面内的原子层再沿着z方向堆叠成为体材料。费米面的形状尽管存在各向异性，但还是一个封闭的椭球面，如图2(b)所示，所以整个体系仍为三维系统。

当沿着z方向施加磁场时，该研究团队在实验上观测到一系列电阻振荡。尤其重要的是，当体系进入量子极限区域时，纵向电阻为零，而霍尔电阻的数值和z方向的费米波矢相关联，如图2(c)所示。这一奇特行为，与Halperin在1987年预言的三维量子霍尔效应的特征完全一致。

综上所述，这一工作终于将经历了30余年等待的三维量子霍尔效应这一预言展现于世人面前。在这个效应中，由于维度的不同，现象背后的微观物理机制也展现其新颖与诱人的方面。该发现有望为未来的凝聚态物理的发展注入新的活力。

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