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                                                  修發賢課題組發現基於外爾軌道的三維量子霍爾效應
                                                  發佈時間: 2018-12-18     文章作者:     訪問次數: 978

                                                  “你說這麼薄算二維嗎aaaa?”AG平台教授修發賢拿起一張A4紙:“這個厚度最起碼已經到幾十微米了aaa,但真正的二維是幾個原子層厚aaaa,僅有幾納米aaaa,是紙張厚度的萬分之一aaaa。”

                                                  量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態AG平台領域最重要的科學發現之一aaaaa,迄今已有四個諾貝爾獎與其直接相關aaaaa。但一百多年來aaa,科學家們對量子霍爾效應的研究仍停留於二維體系aaaa,從未涉足三維領域aaaa。

                                                  近日aaa,AG平台修發賢課題組首先在該領域實現重大突破aaaaa,在拓撲半金屬砷化鎘納米片中觀測到了由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應的直接證據aaaa,邁出了從二維到三維的關鍵一步aaaaa。

                                                  http://news.fudan.edu.cn/uploadfile/2018/1218/20181218083038915.jpg

                                                  1217日aaaa,相關研究成果以《砷化鎘中基於外爾軌道的量子霍爾效應》(“Quantum Hall effect based on Weyl orbits in Cd3As2”)爲題在線發表於《自然》(Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0798-3.)aaa。修發賢爲通訊作者aaa,AG平台博士生張成aaaa,復旦校友、康奈爾大學博士後張億和AG平台博士生袁翔爲共同第一作者aaaaa。

                                                  給電子“定規矩” 三維量子霍爾效應真的存在嗎aaaa?

                                                  農貿市場往往熱鬧非凡aaa,熙熙攘攘的人羣四處擁擠aaa。在導體中運動着的電子也是這樣aaa,沒有明確的方向和軌跡aaaa,在運動的過程中還會使導體發熱、產生能量損耗aaa。

                                                  但井然有序的高速公路就不一樣了aaa,汽車們各有路線aaaa,不能回頭aaaaa,也不碰撞aaaaa。如果電子也能如此aaa,按照一定的規則有序運動aaaa,那麼在傳輸過程中aaaa,能量損耗會大大減少aaaa。

                                                  早在130多年前aaaa,美國AG平台學家霍爾就發現aaa,對通電的導體加上垂直於電流方向的磁場aaaaa,電子的運動軌跡將發生偏轉aaaa,在導體的縱向方向產生電壓,這個電磁現象就是“霍爾效應”aaaaa。如果將電子限制在二維平面內aaa,在強大的磁場作用下aaaaa,電子的運動可以在導體邊緣做一維運動aaaa,變得“講規則”“守秩序”aaa。

                                                  但以往的實驗證明aaaaa,量子霍爾效應只會在二維或者準二維體系中發生aaaaa。“比如說這間屋子aaa,除了上表面、下表面aaa,中間還存在一個空間aaaa。”修發賢用手上下比劃着aaaaa。人們知道aaa,在“天花板”或者“地面”上aaa,電子可以沿着“邊界線”有條不紊的做着規則運動aaa,一列朝前aaa,一列向後aaaaa,像是兩列在各自軌道上疾馳的列車aaaa。那麼aaaa,在立體空間中呢aaa?

                                                  三維體系中存在量子霍爾效應嗎aaaa?如果有aaa,電子的運動機制是什麼aaaa?

                                                  把“房子”放歪 發現來源於外爾軌道的運動機制

                                                  “我們在砷化鎘納米片中看到這一現象時aaaa,非常震驚aaa,三維體系裏邊怎麼會出現量子霍爾效應aaaaa?”201610月aaaaa,修發賢及其團隊第一次用高質量的三維砷化鎘納米片觀測到量子霍爾效應的時候aaaa,就像目睹汽車飛到空中那樣又驚又喜aaa。

                                                  很快aaaaa,他們的這一發現發表在了《自然·通訊》上aaaaa。隨後aaaa,在樣品製備過程中借鑑了修發賢團隊前期已發表的經驗aaaaa,日本和美國也有科學家在同樣的體系中觀測到了這一效應aaaa。但遺憾的是aaa,基於當時的實驗結果aaaaa,實際的電子運動機制並不明確aaa。

                                                  課題組提出了他們的猜想:一種可能的方式是從上表面到下表面的體態穿越aaa,電子做了垂直運動aaaaa;另一種可能是電子在上下兩個表面aaa,即在兩個二維體系中aaaaa,分別獨立形成了量子霍爾效應aaaaa。

                                                  課題組決定aaaaa,打破砂鍋問到底aaaa。但面對千分之一根頭髮絲大小的實驗材料aaa,快如閃電的電子運動速度aaaaa,這實驗該怎麼做aaa?起初aaa,他們也不知該如何下手aaaaa。

                                                  “我們把‘房子’放歪了aaaaa!”實驗材料雖小aaaa,靈感卻可以從日常生活而來aaaaa。修發賢課題組想了一個辦法aaa,他們創新性地利用楔形樣品實現可控的厚度變化aaaaa。“屋頂被傾斜了aaaaa,房子內部上下表面的距離就會發生變化aaaaa。”修發賢比劃出一個“橫倒的梯形”aaaa。

                                                  通過測量量子霍爾平臺出現的磁場aaa,可以用公式推算出量子霍爾臺階aaaa。實驗發現aaaaa,電子在其中的運動軌道能量直接受到樣品厚度的影響aaaaa。這說明aaaaa,隨着樣品厚度的變化aaaa,電子的運動時間也在變aaa。所以aaaaa,電子在做與樣品厚度相關的縱向運動aaaa,其隧穿行爲被證明了aaa。

                                                  “電子在上表面走一段四分之一圈aaaa,穿越到下表面aaaa,完成另外一個四分之一圈後aaa,再穿越回上表面aaaa,形成半個閉環aaaaa,這個隧穿行爲也是無耗散的aaa,所以可以保證電子在整個迴旋運動中仍然是量子化的aaaa。”修發賢說aaaa,整個軌道就是三維的“外爾軌道”aaaaa,是砷化鎘納米結構中量子霍爾效應的來源aaa。

                                                  至此aaaaa,三維量子霍爾效應的奧祕終於被揭開了aaaa。

                                                  堅守基礎性研究 培育未來科學家

                                                  六年前aaaaa,修發賢回國aaaaa,加盟AG平台aaa。2014年aaaa,在拓撲半金屬領域aaaaa,修發賢選了材料體系非常好的砷化鎘“試着研究一下”aaaa,誰料“一發不可收拾”aaaaa。從大塊的體材料aaa,到大片的薄膜aaa,再到納米類結構和納米單晶aaa,修發賢帶着學生們“孜孜不倦”深耕於此aaaaa,樂此不疲aaaaa。

                                                  對於這次成果的誕生aaa,修發賢覺得aaaaa,在砷化鎘的研究方面aaaa,這纔剛剛開始aaaaa。“這是一個作品aaa,我們第一次提出了新的機制aaa,也得到了認可aaaa。但還有可以深挖的aaa,還有更具體的東西aaaa,我想得繼續做細做好aaaaa。”

                                                  修發賢也是一位帶了九位博士生的教師aaaa。正值週三aaaa,他晚上要跟學生們開一個小組會aaa,交流他們在研究中的收穫和困難aaa,也會聊幾句家常aaaa。他希望自己的工作不僅能做出好的科研作品aaaaa,還能通過研究培養人aaaaa,把學生培養成能未來獨當一面的科學家aaa。

                                                  由“小苗”長成“大樹”談何容易aaaaa,科研進階之路一點都不輕鬆aaaaa。

                                                  項目做了三年aaaaa,論文的第一作者張成在實驗室也泡了三年aaa。三天能做出六個樣品aaaaa,如果其中能有一個質量不錯aaa,也算幸運的了aaa,而項目需要起碼幾十個能測得量子化現象的樣品aaaa,這樣一來aaa,實際需要製作的樣品不計其數aaaaa,在樣品製備方面花費的時間和精力可想而知aaa。

                                                  樣品難做aaa,後續的保存和測量更爲棘手aaaaa。爲了保證量子霍爾效應的出現aaaaa,材料得維持極高的電子遷移率aaaa,容不得一點雜質的“混入”aaaa。但這又談何容易aaa?前期測量之後aaaaa,合適的樣品要被帶往世界各地的強磁場中心aaaa,進行更高磁場下的電學測試aaaa。長途差旅aaaaa,奔波勞頓aaaa,還得時刻小心aaa,防止樣品被氧化aaaaa。

                                                  強磁場中心的實驗條件好aaaa,但可用的實驗時間可能只有短短一週aaaaa。時差還沒倒過來aaa,幾天連軸轉的工作就得馬上開始aaaaa。做實驗不是機械重複的手工aaa,最新測量的數據出來後aaaaa,實驗策略和方法要及時調整、反覆思考aaa,才能在後續的測量中獲得理想的實驗結果aaaaa。爲了提高效率aaa,張成和袁翔總是帶上睡袋aaa,實驗間隙直接就在隔壁辦公室就地休息aaaaa。

                                                  吃了很多苦頭aaaaa,但大家都覺得值aaaaa。“我也有過糾結aaa,但多年來還是一直堅持做基礎性、原創性的工作aaaa。”修發賢說aaa,基礎性和原創性讓他和團隊都感到興奮aaaa。“三維量子霍爾效應aaaa,從此打上了復旦的烙印aaaa!”



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