1980年在二維電子系統中發現的量子霍爾效應(QHE)揭示了維度、拓撲和相互作用可以產生出奇异美妙的物理。對二維量子霍爾效應的研究一直是過去40年凝聚態物理的一個主要旋律,並且擴展為了一個龐大的領域。有沒有可能存在三維的量子霍爾效應(3D QHE)呢?這個問題從二維量子霍爾效應發現後不久就引起了極大的關注。1987年,Bertrand Halperin從理論上預言了3D QHE的存在和它的量測特徵。但是這個新奇的效應對資料系統和量測的要求非常高,自1987年以來始終未能通過實驗證明。張立源教授、中國科學技術大學喬振華教授以及新加坡科技設計大學楊聲遠教授等團隊及其合作者們在實驗上從體相ZrTe5晶體中首次發現了三維量子霍爾效應。北京时間2019年5月9日,相關研究成果以“Three-dimensional quantum Hall effect and metal–insulator transition in ZrTe5”為題線上發表於《自然》(Nature,DOI: 10. 1038/s 41586-019-1180-9)。
應喬振華教授邀請,張立源教授在中國科學技術大學作了題為“3D Quantum Hall Effect in ZrTe5”的報告。
張立源教授從經典的霍爾效應開始,回顧了量子霍爾效應及其衍生家族的發展歷程。介紹了哈佛大學著名物理學家Bertrand I Halperin教授在1987年關於在三維量子霍爾效應的理論預測及其實驗特徵。其中,著重說明了准二維和三維電子氣體系的具體實驗上的判據和區分方法。報告提供了翔實的五碲化鋯低溫量子輸運量測數據和相關資料分析,特別展示了極低溫和强磁場下的兩個重要實驗發現:(1)實驗觀測到三維量子霍爾效應及其物理特徵,(2)强磁場誘導的金屬絕緣體相變。最後根據現有的實驗數據,刻畫出一個豐富多姿的量子相圖,為未來的三維電子氣的研究勾勒出全新的前景。
圖|張立源教授
Integer quantum Hall effect(QHE),which appears in two-dimensional(2D)system and can be understood without Coulomb interaction,inspired the discovery of various topological nontrivial phases.However,the intriguing possibility of generalizing QHE to 3D systems was proposed decadesago,yet remains elusive experimentally.Here,we report for the first time evidences of the 3D QHE.In our bulk ZrTe5crystals with high sample quality,the extreme quantum limit with only the lowest Landau level occupied canbeachieved around 1.5 T. In this regime,we observe a dissipationless longitudinal resistivity pχχ≌0 accompanied with a well-developed Hall resistivity plateau pχγ=(1±0.1)h/g2(λF,Z/2)whereλF,Zis the Fermi wavelength along the field direction(z axis).This result strongly suggests a Fermi surface instability driven by the enhanced interaction effects in the extreme quantum limit.In larger magnetic field,a metal-insulator transition happens.Our findings not only unambiguously reveala novel quantum state of matter resulting from an intricate interplay among dimensionality,interaction,and symmetry breaking,but also provide a promising platform for further exploration of more exotic quantum phases and transitions in the 3D electronic systems.
張立源,南方科技大學物理系副教授,深圳量子科學與工程研究院兼職研究員。2007年博士畢業於佐治亞理工學院物理系,之後在美國普渡大學、布魯克海文國家實驗室、紐約州立大學石溪分校作博士後。2011年底回國,被聘為中國人民大學副教授,2014年到南方科技大學工作。主要從事凝聚態物理量子輸運的研究,近期關注層狀量子拓撲資料的電輸運實驗研究及其納米器件的製備,發表期刊論文20餘篇。