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拓扑|从量子反常霍尔效应到三维量子霍尔效应

霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一个物理效应 ， 当电流通过一个位于磁场中的导体的时候 ， 磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力 ， 从而在导体的两端产生电势差 ， 这个电势差也被称为霍尔电势差 。
在极低温度条件下 ， 霍尔电势差呈现量子化 ， 被称为量子霍尔效应 。 量子霍尔效应是霍尔效应的量子力学版本 ， 是一种典型的宏观量子效应 ， 是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现 ， 是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一 。 自1980年 ， 德国科学家Klaus von Klitzing发现了“整数量子霍尔效应” ， 并于1985年获得诺贝尔物理学奖 ， 至今已有4次诺贝尔物理学奖与量子霍尔效应直接相关 。
【拓扑|从量子反常霍尔效应到三维量子霍尔效应】量子反常霍尔效应是指在不需要外加磁场的情况下实现量子化的反常霍尔效应 。 量子反常霍尔效应是一个全新的量子效应 ， 被认为是继整数和分数量子霍尔效应之后 ， 量子霍尔效应家族中的最后一个重要成员 。 而且由于其来源于材料的自发磁化而不需要外加磁场 ， 因此在低能耗电子器件的应用方面显得尤为方便 。 从理论研究和实验上实现量子反常霍尔效应 ， 是多年来国内外凝聚态物理学家追求的目标和竞争的前沿 。
我国科学家在这一研究中取得骄人成绩 。 2008年清华大学刘朝星等 ， 以及2010年中科院物理所方忠和戴希等 ， 分别与斯坦福大学张首晟教授一起 ， 先后提出了磁性掺杂的拓扑绝缘体是实现量子反常霍尔效应的最佳材料体系的理论方案 。 2012年 ， 在清华大学薛其坤院士的带领下 ， 清华大学物理系、中科院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队 ， 首次在Cr掺杂（Bi ， Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜上实验发现了量子反常霍尔效应 。
量子反常霍尔效应的最终实验发现引起了国际学术界的广泛关注和高度评价 。 《科学》杂志审稿人称之为“凝聚态物理界的一项里程碑式的工作” 。 诺贝尔奖获得者杨振宁教授认为这是一项诺贝尔奖级物理学成果 。 该研究成果获2018年国家自然科学奖一等奖 。
另一方面 ， 过去量子霍尔效应的观测限于二维体系 ， 三维电子体系中量子霍尔效应虽然已提出三十多年 ， 但由于沿磁场方向电子的运动不受限制 ， 一直未能在实验中实现 。
近几年我国科学家在三维量子霍尔效应研究上连续取得重大突破 。 2018年底 ， 复旦大学物理学系修发贤教授课题组在拓扑狄拉克半金属砷化镉材料里观测到三维量子霍尔效应 ， 通过实验证明电子的隧穿过程 ， 迈出从二维到三维的关键一步 ， 开拓了全新的研究维度 。 2019年初 ， 南方科技大学张立源研究组与中国科学技术大学乔振华研究组及合作者 ， 基于高品质五碲化锆块体单晶 ， 实验观测到长久以来认为无法实现的“三维量子霍尔效应” 。 与传统量子霍尔效应的一维边缘态不同 ， 此次发现的边缘态延拓到了二维 。 这种崭新的二维边缘态呈现出独特的性质——同时具备拓扑保护和关联作用 ， 并衍生出更丰富的拓扑物态与诱人的研究前景 。

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