【香港商報網訊】記者 林麗青 報導：國際頂尖學術期刊《自然》5月8日發表了主要由南方科技大學物理系和中國科技大學物理學院共同完成的研究論文，文章名為「Three-dimensional quantum Hall effect and metal-insulator transition in ZrTe5」。該篇文章首次從實驗上證實了三維量子霍爾效應的存在。
32年後揭開神秘面紗
三維量子霍爾效應效果示意圖
量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一，迄今已有四個諾貝爾獎與其直接相關。
1987年，著名物理學家、哈佛大學教授Bertrand Halperin從理論上預言了三維量子霍爾效應的存在和它的測量特徵。此後的很長一段時間內，科學家們對量子霍爾效應的研究仍停留於二維體系。
32年後，南方科技大學物理系副教授張立源團隊聯合中國科技大學教授喬振華、新加坡科技設計大學教授楊聲遠、美國佛羅里達州立大學教授楊昆、麻省理工學院教授Patrick A. Lee和布魯海文國家實驗室Genda Gu教授研究組，突破重重難關，首次實驗證實了這項預測，揭開了三維量子霍爾效應的神秘面紗。
在得知此次研究團隊的實驗成果後，Bertrand Halperin也特地向團隊表達了祝賀和肯定，並稱讚團隊的成果是一次極好的發現「indeed a very nice discovery」。
挑戰新領域 攻克世界難題
將一塊金屬或半導體置於一個磁場內，然後通電流，通常在垂直於磁場和電流的方向會產生電壓差，這就是許多人了解的霍爾效應。
1980年，德國科學家馮·克利青（Klaus von Klitzing）首次在二維體系裡發現了量子霍爾效應，改變了傳統學界對相變的理解，並將拓撲的概念引入物理學的研究中。30多年來，世界各地的研究團隊開展了多種嘗試，試圖從實驗上實現從二維到三維繫統的跨越，然而迄今仍未有確鑿的觀測證據。
起初，張立源的研究方向主要集中在二維材料體系這個熱門且充滿激烈競爭研究領域。研究過程中，張立源注意到了三維電子氣這一相對「冷門」的研究方向。不懼「跨界」的他果斷地決定調整目標，「邊做邊學」。
要實現三維量子霍爾效應，就需要達到所謂的極端量子極限條件（Extreme Quantum Limit）。這個實驗條件要求異常苛刻，如果選用常用的金屬銅塊作為研究對象，要施加超過3000特斯拉的磁場才能進入極端量子極限態，而這是當前的實驗條件無法提供的。因此，三維量子霍爾效應方向的研究一度處於幾乎停頓的狀態。
為滿足這項苛刻的條件，張立源團隊巧妙地選用了高品質的五碲化鋯（ZrTe5）晶體作為研究對象。五碲化鋯晶體是一種各向異性較強、三維層狀結構的新型拓撲材料（圖（a）所示）。團隊利用其所低載流子濃度，超高遷移率的特點，使體系能夠在實驗條件允許的磁場環境下進入量子極限。另外，為了避免樣品的多個電子口袋相互影響，使實驗分析複雜化，團隊還特意篩選出只有單個電子口袋的樣品進行實驗（圖（b）所示）。
ZrTe5單晶（Tp ——95K）的（a）降溫曲線和（b）三維費米面結構
研究就像挖礦 不要輕易放棄
研究初期，由於早期樣品的品質不同，實驗結果呈現出複雜的多樣性，研究團隊一度陷入迷茫中。終於，在某天分析一組常規的實驗數據時，張立源發現了一個此前忽略掉的規律。隨後的一系列重複實驗成功驗證了這個規律，終於打開了研究的突破口。「有時候研究就像挖礦一樣，認準目標，不要輕易放棄。」張立源說。
課題組博士後王培培認為，觀察到三維量子霍爾效應看似偶然，實則幸運背後是長期的堅持和努力所疊加出的必然。「張立源老師的學術敏銳性和咬定青山的堅持，讓這個項目得以開展和堅持下去，這是課題組能夠取得突破性研究成果的最關鍵要素。」同時他還提到一個細節，他2016年1月加入課題組時就開始嘗試生長這個ZrTe5材料，剛開始一直受困於單晶遷移率不高，但張立源老師始終堅持追求高質量晶體，在組會上無數次強調：「Quality！Quality！Quality！」為了得到高遷移率的單晶，張立源與美國布魯克海文實驗室的Genda Gu合作，得到了用flux方法生長的ZrTe5單晶，遷移率提高了10倍多。
據論文第一作者、課題組博士湯方棟回憶，他在研究過程中做了大量ZrTe5單晶項目樣品的測試，其中樣品性質好的測試需要耗時數周，性質不好的也要2天左右。
張立源介紹研究成果
研究新方向存無限可能
值得一提的是，拓撲序理論的提出者、美國國家科學院院士文小剛教授專門點評了團隊的這一實驗發現，稱「這一新的實驗發現，給了我們一個新的材料體系，其中也能產生拓撲序。」
張立源說，三維量子霍爾效應的研究中，多方的合作和溝通起到了不可或缺的作用。此次的研究成果，就得到了美國布魯克海文國家實驗室Genda Gu組、佛羅里達州州立大學的楊昆教授，麻省理工學院的Patrick A Lee等資深學者們的合作和指導。論文第二通訊作者，中科大喬振華教授還曾帶着自己課題組的學生短暫「搬」來南科大，和新加坡科技設計大學的楊聲遠教授一起全力協助張立源課題組進行實驗數據分析，並及時提出各種反饋和建議，對推進課題研究的不斷進展做出了突出貢獻。
當被問及未來的打算時，張立源說，今天三維量子霍爾效應已經被觀測到，在豐富多姿的三維體系裡會存在無限可能性，自己也會繼續這個新開闢方向的研究。「這項成果對未來學術研究和日常生活的影響我也無法猜測，我能做的就是告訴大家，這裏還有個鑽石礦在向大家招手。」張立源說。