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我国科学家首次观测到三维量子霍尔效应

作者: 徐海涛 来源:新华网
2019-05-16 08:05 

新华社合肥5月15日电(记者徐海涛)霍尔效应描述了当磁场加载到金属和半导体上时,电力与磁力之间的一种相互关系。近140年来,国际科学界相继发现了霍尔效应和量子霍尔效应。近期,中国科学技术大学乔振华课题组与南方科技大学张立源课题组等合作,首次在毫米级的碲化锆材料上观测到了三维量子霍尔效应。

日前,国际学术期刊《自然》发表了该研究成果。“这一新的实验发现,给了我们一个新的材料体系,其中也能产生拓扑序。”美国国家科学院院士文小刚高度评价说。

1879年,美国科学家埃德温·霍尔在实验中首次发现了“霍尔效应”,这对二极管的发明及半导体行业产生深远影响。1980年,德国科学家冯·克利青首次在二维体系里发现了量子霍尔效应,改变了学界对物态和相变的理解,并把拓扑的概念引入到物理学研究领域,他也因此获得诺贝尔物理学奖。

能否在三维体系中也观测到量子霍尔效应?这对测量条件、材料体系的要求异常苛刻,几十年来,科学界一直未能突破。

碲化锆是一种具有特殊性质的新材料,南方科大张立源团队从2014年起开始研究,意外发现这是一种研究三维体系的理想材料。2017年初,从事相同研究方向的中国科大乔振华团队与张立源团队开始合作,他们测试分析了大量来自国内外科研机构的样品,终于在碲化锆这种三维材料上观测到了量子霍尔效应。

据了解,自从1980年发现量子霍尔效应后,学界把注意力集中在二维体系。这次发现的三维量子霍尔效应,补全了霍尔效应家族的一个重要拼图。

“丰富多彩的三维体系,将吸引众多学者加入到新型的三维量子物态以及相变领域的研究中,并为霍尔效应家族的发展提供一个全新的领域和视角。”乔振华说。

140年前,埃德温·霍尔教授还无法回答经典霍尔效应能做什么。如今,经典霍尔效应已走入大众生活,广泛应用于汽车、家电、手机等产品。三维量子霍尔效应未来会有什么样的应用?科学界将继续寻求答案。

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