量子霍爾效應(yīng)Quantum Hall Effect

量子霍爾效應(yīng)（quantum Hall effect）是量子力學(xué)版本的霍爾效應(yīng)，需要在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)的極★條件下才可以被觀察到，此時(shí)霍爾電阻與磁場(chǎng)不再呈現(xiàn)線性關(guān)系，而出現(xiàn)量子化平臺(tái)。霍爾效應(yīng)在1879年被E.H.霍爾發(fā)現(xiàn)，它定義了磁場(chǎng)和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系。當(dāng)電流通過(guò)一個(gè)位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體的時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個(gè)橫向的作用力，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電壓差。

2018年12月18日，英國(guó)《自然》雜志刊登復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢課題組的最新研究成果《砷化鎘中基于外爾軌道的量子霍爾效應(yīng)》，這也是中國(guó)科學(xué)家首★在三維空間中發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)。

簡(jiǎn)介：

量子霍爾效應(yīng)，是霍爾效應(yīng)的量子力學(xué)版本。一般被看作是整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的統(tǒng)稱。

整數(shù)量子霍爾效應(yīng)被馬普所的德國(guó)物理學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)。他因此獲得1985年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)被崔琦、霍斯特·路德維希·施特默和亞瑟·戈薩★發(fā)現(xiàn)，前兩者因此與羅伯特·勞克林分享1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

整數(shù)量子霍爾效應(yīng)最初在高磁場(chǎng)下的二維電子氣中被觀測(cè)到；分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)通常在遷移率更高的二維電子氣下才能被觀測(cè)到。

2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，在室溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。2018年12月18日，英國(guó)《自然》雜志刊登復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系修發(fā)賢課題組的最新研究成果《砷化鎘中基于外爾軌道的量子霍爾效應(yīng)》，這也是中國(guó)科學(xué)家首★在三維空間中發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)。 據(jù)修發(fā)賢教授介紹，該效應(yīng)與傳統(tǒng)的二維量子霍爾不同，存在特殊的電子軌道，稱為外爾軌道，電子可以從上表面穿越到下表面，然后再回到上表面。打個(gè)比方，一個(gè)房間有天花板和地面，形成三維空間，電子可以從天花板穿越房間到達(dá)地面，然后從地面再回到天花板。據(jù)悉，美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)對(duì)通電的導(dǎo)體加上垂直于電流方向的磁場(chǎng)，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在導(dǎo)體的縱向方向產(chǎn)生電壓，這個(gè)電磁效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)是20世紀(jì)以來(lái)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，迄今已有四個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)與其直接相關(guān)。但一百多年來(lái)，科學(xué)家們對(duì)量子霍爾效應(yīng)的研究仍停留于二維體系，從未涉足三維領(lǐng)域。在本次成果中，修發(fā)賢教授課題組在拓?fù)涞依税虢饘偕榛k材料里觀測(cè)到三維量子霍爾效應(yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明電子的隧穿過(guò)程，邁出從二維到三維的關(guān)鍵一步，開拓了全新的研究維度。這表明這次的新研究又向前進(jìn)了一大步。

重要意義：

整數(shù)量子霍爾效應(yīng)：量子化電導(dǎo)被觀測(cè)到，為彈道輸運(yùn)（ballistic transport）這一重要概念提供了實(shí)驗(yàn)支持。

分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)：勞克林與J·K·珍解釋了它的起源。兩人的工作揭示了渦旋（vortex）和準(zhǔn)粒子（quasi-particle）在凝聚態(tài)物理學(xué)中的重要性。

研究前景：

整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的機(jī)制已經(jīng)基本清楚，而仍有一些科學(xué)家，如馮·克利青和紐約州立大學(xué)石溪分校的V·J·Goldman，還在做一些分?jǐn)?shù)量子效應(yīng)的研究。一些理論學(xué)家指出分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的某些平臺(tái)可以構(gòu)成非阿貝爾態(tài)（Non-Abelian States），這可以成為搭建拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。

石墨烯中的量子霍爾效應(yīng)與一般的量子霍爾行為大不相同，為量子反?；魻栃?yīng)(Quantum Anomalous Hall Effect)。

此外，Hirsh、斯坦福大學(xué)的張首晟等提出量子自旋霍爾效應(yīng)的概念，與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)正在吸引越來(lái)越多的關(guān)注。

2010年，中科院物理所的方忠、戴希理論團(tuán)隊(duì)與拓?fù)浣^緣體理論的開創(chuàng)★之一、斯坦福大學(xué)的張首晟等合作，提出了實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的最佳體系。 2013年，中國(guó)科學(xué)院的薛其坤院士領(lǐng)★的合作團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)，在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場(chǎng)中的反常霍爾電阻達(dá)到了量子霍爾效應(yīng)的特征值h/e2~ 25800歐姆。2013年3月15日，這個(gè)成果在線發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

這一發(fā)現(xiàn)可被用于發(fā)展新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件，進(jìn)而推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)步。