张立源教授亲述“三维量子霍尔效应”的实验发现

1980年在二维电子系统中发现的量子霍尔效应（QHE）揭示了维度、拓扑和相互作用可以产生出奇异美妙的物理。对二维量子霍尔效应的研究一直是过去40年凝聚态物理的一个主要旋律，并且扩展为了一个庞大的领域。有没有可能存在三维的量子霍尔效应（3D QHE）呢？这个问题从二维量子霍尔效应发现后不久就引起了极大的关注。1987年，Bertrand Halperin从理论上预言了3D QHE的存在和它的测量特征。但是这个新奇的效应对材料系统和测量的要求非常高，自1987年以来始终未能通过实验证明。张立源教授、中国科学技术大学乔振华教授以及新加坡科技设计大学杨声远教授等团队及其合作者们在实验上从体相ZrTe₅晶体中首次发现了三维量子霍尔效应。北京时间2019年5月9日，相关研究成果以“Three-dimensional quantum Hall effect and metal–insulator transition in ZrTe₅”为题在线发表于《自然》(Nature, DOI: 10. 1038/s 41586-019-1180-9)。

应乔振华教授邀请，张立源教授在中国科学技术大学作了题为“3D Quantum Hall Effect in ZrTe₅”的报告。

张立源教授从经典的霍尔效应开始，回顾了量子霍尔效应及其衍生家族的发展历程。介绍了哈佛大学著名物理学家Bertrand I Halperin教授在1987年关于在三维量子霍尔效应的理论预测及其实验特征。其中，着重说明了准二维和三维电子气体系的具体实验上的判据和区分方法。报告提供了翔实的五碲化锆低温量子输运测量数据和相关数据分析，特别展示了极低温和强磁场下的两个重要实验发现：（1）实验观测到三维量子霍尔效应及其物理特征，（2）强磁场诱导的金属绝缘体相变。最后根据现有的实验数据，刻画出一个丰富多姿的量子相图，为未来的三维电子气的研究勾勒出全新的前景。

图 |张立源教授

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 p_χχ≌ 0 accompanied with a well-developed Hall resistivity plateau p_χγ= (1±0.1) h/g²(λ_F,Z/2) where λ_F,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.

张立源，南方科技大学物理系副教授，深圳量子科学与工程研究院兼职研究员。2007年博士毕业于佐治亚理工学院物理系，之后在美国普渡大学、布鲁克海文国家实验室、纽约州立大学石溪分校作博士后。2011年底回国，被聘为中国人民大学副教授，2014年到南方科技大学工作。主要从事凝聚态物理量子输运的研究，近期关注层状量子拓扑材料的电输运实验研究及其纳米器件的制备，发表期刊论文20余篇。