电磁真的是一对好朋友。它们相互重叠，形成了自然界中千变万化的电磁现象，令无数科学家和工程师向往。早在19世纪中期，电和磁就登上了历史舞台，主导了第二次工业革命。发电机、收音机等新技术的出现，为当时人类社会的进步提供了源源不断的动力。
然而，纠结电和磁之间的关系远没有我们想象的那么简单。有一种神奇的电磁现象叫做三维量子霍尔效应，成为近年来的研究热点。
毫不夸张地说，量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一。到目前为止，已经有四个诺贝尔奖与其直接相关。但三维量子霍尔效应一百多年来一直是科学家心目中的一片净土。
人类历史上首次观测到三维量子霍尔效应，是由修法显中国复旦大学物理系的s研究组在拓扑半金属砷化镉纳米片。该成果于2018年12月以论文形式发表在《自然》杂志上。
半年后，中国南方科技大学、中国科学技术大学和新加坡科技设计大学的人也公布了他们关于三维量子霍尔效应的实验结果，结果以论文的形式发表在2019年5月8日的《自然》杂志上。与修法显的先前发现相比研究组，此次发现的亮点在于对三维量子霍尔效应的实验验证，以及在ZrTe5上发现金属-绝缘体转换，在应用上更有意义。
(来源：自然)
可以说，在发现修之前法显美国研究小组的科学家对量子霍尔效应的研究只停留在二维体系，对三维体系只有无尽的猜测。修仙团队发现了三维Weyl轨道形成新型三维量子霍尔效应的直接证据，迈出了从二维到三维量子霍尔效应的关键一步。
这一次，南科大和中国科学技术大学的研究团队紧随其后，进一步证实了三维量子霍尔效应，验证了显著的拓扑绝缘体现象。
量子效应正成为诺贝尔奖的常客。
什么是三维量子霍尔效应让无数科学家俯首称臣？
首先，我们要知道什么是霍尔效应。这一现象是美国物理学家埃德温霍尔(Edwin Hall)在1879年的实验中发现的，并以他的名字命名，传遍全球。
图埃德温。霍尔(来源维基百科)
这个相对简单的物理现象，现在已经进入高中物理课本。其核心理论是带电粒子(如电子)在磁场中运动时会受到洛仑兹力的偏转，因此磁场中的电流也可能发生偏转。当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，在导体两端积累电荷，从而在导体内部产生电场，其方向垂直于电流和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力平衡时，载流子将不再偏转。
此时半导体两端之间会形成一个电位差，这种电位差叫做霍尔效应，这个电位差也叫霍尔电位差。
图霍尔效应a .对通电导体施加垂直于电流方向的磁场，可以使电荷运动发生偏转，在导体的左右两侧积累电荷，产生霍尔电压VH；b .电子在磁场和霍尔电压作用下的受力分析。(来源：英国ALevel-物理教科书)
一般来说，霍尔效应实际上是电信号和磁信号之间的桥梁，任何电信号转化为磁信号的地方都可以有霍尔传感器。
也就是说，这个看似深奥的概念其实离我们的生活很近：比如我们把霍尔元素放到汽车里，w
但需要补充的是，霍尔发现霍尔效应只是当时的一种现象，并没有给出任何关于电子偏移的理论分析。
原因是电子直到1897年才被汤姆逊发现，霍尔也没有把两者联系起来。
一百年后的1980年，德国维尔茨堡的青年教师克劳斯冯克里津通过理论分析和实验发现了整数量子霍尔效应。基于一切都可以量子化的想法，他把霍尔效应带入了量子领域，一切都变得不一样了。
冯克利钦(Von Klitsyn)发现量子霍尔效应在极端条件下通常有——的超低温和强磁场，就像他实验中使用的超低温(1.5K)和强磁场(18T):此时电流中的电子不再像普通霍尔效应中那样简单偏转，而是偏转变得更加强烈，偏转半径变得非常小，就像绕着导体内部的某一点转圈一样。边缘的电子呢？只转了半圈，就被磁场偏转了，好像通过这样的弹跳路径通过导体。总之，导体中间的一些电子是锁定，而导体的边缘是传导电流的唯一途径。
数字丨克劳斯冯克利钦获得1985年诺贝尔物理学奖(图片来源：互联网)
不难想象，增大或减小磁场都会改变电子循环的路径，那么导体的电阻值是否也与施加的磁场有关呢？答案是肯定的，我们发现导体的电阻值与施加的磁场有关，呈现阶梯状变化。如图，红线是量子霍尔电阻的变化，其公式可以写成：
图量子霍尔效应中量子霍尔电阻与磁场的关系(来源：维基百科)
冯克雷奇(von Kreaching)推出的这个公式中，n代表正整数，所以他的发现也被称为整数量子霍尔效应，他也因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。
后来，中国科学家崔琦、霍斯特施特默和阿瑟戈萨德发现了分数量子霍尔效应，他们与罗伯特拉夫林分享了1998年诺贝尔物理学奖。2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫在实验中成功地将石墨烯从石墨中分离出来，并观察到了室温下的量子霍尔效应。
图2-D量子霍尔效应
可以说量子霍尔效应是诺奖的常客，只要发现相关现象，就有诺奖的潜力。然而，相关的理论研究和应用研究还存在很大差距，许多研究方向都是朝着简化应用条件的方向发展。例如，2010年，我们的理论物理学家、戴等。与张首晟教授合作，提出了零磁场下反常量子霍尔效应的实现，具有重要的应用意义，可以为量子霍尔效应的实际应用提供思路。
然而，另一个更重要的研究方向是三维量子霍尔效应，因为之前发现的量子霍尔效应只存在于二维量子系统中，电子的表现形式是平面中的圆。如果将系统扩展到三维系统，量子霍尔效应会有怎样的不同？会有FinFET那样的风暴吗？毕竟我们生活的空间是三维的。
中国科学家两次验证了三维量子霍尔效应。
人们首先想到的是在三维系统中直接实现量子霍尔效应，——，将二维量子系统叠加。但是，科学之路可以不能用简单粗暴的叠加来进行，结果是否定的。我们只得到准2D量子霍尔效应(奎西QHE)，而我们还没有观察到了明显的量子霍尔电阻和电子在空间的振荡，这似乎比单个2D系统更糟糕。
在此背景下，中国科学家另辟蹊径，选择了不同的材料。复旦大学物理系修法显课题组选择了Cd3As2的楔形纳米结构，而南科大和中国科学技术大学的研究团队选择了ZrTe5的三维晶体。两组的思路非常清晰，就是三维纳米结构，其中ZrTe5的三维晶体已经被认为是一种拓扑绝缘体，非常适合研究量子霍尔效应。在1.5K的条件下，研究人员发现了类似于二维量子霍尔效应的现象，一个方向的电阻呈现阶跃变化，另一个方向的电阻呈现震荡。
图ZrTe5三维晶体中观察到的三维量子霍尔效应测试结果(来源：本文)
观察到的现象不足以让科学家高兴。一个重要的问题是：二维量子霍尔效应是电子盘旋但是三维量子霍尔效应是电子的结果吗盘旋在太空？答案远比这个复杂。
首先，电子也在空间中绕圈，但是这个圈变得非常工作。他们不是转圈，而是翻出自己的模式。
图三维量子霍尔效应的电子运动轨迹示意图(来源：互联网)
对于这样的现象，秀法显团队在论文中给出了这样的解释：电子在上表面走了四分之一圈，穿越到下表面，完成另一个四分之一圈，然后穿越回上表面，形成一个半闭环。这种隧穿行为也是非耗散的，因此可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。整个轨道是三维的外层轨道这是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源。"神秘地说，电子在其中的运动就像穿越一个虫洞(我可以不禁想起《银河护卫队2》年的勇敢和火箭穿越星际的70 0次)。
图虫洞模型(来源：互联网)
那么，作为一般读者，我们应该如何理解三维量子霍尔效应的意义呢？
首先，这绝对是凝聚态物理领域的重要科学进展，似乎可以大胆角逐2020年的诺贝尔奖。其次，在应用方面，量子霍尔效应一直在路上，更别说三维量子霍尔效应了，但是理论研究总是超前的，所以我恐怕申请还需要一些时间。
而所研究的三维量子霍尔效应材料具有快速的电子迁移率、快速的电子传输和响应，可应用于红外探测和电子自旋器件。第三，三维量子霍尔效应可以应用于特殊的载流子输运系统，其量子化电导率也可以成为一种特殊的应用。
此外，在这项研究中，中国南方科技大学和中国科学技术大学的研究团队还做了一个大扫描并在温度T=0.6K~200K和外加磁场B=0~12T范围内进行了综合诊断，得出了金属-绝缘体的转换规律：
也就是说，人们可以通过控制温度和外加磁场来实现金属-绝缘体的转变。控制是应用的方法。用最简单的方法，我们可以将这一原理应用于制造量子磁开关等电子元件。
最后，值得一提的是，三维量子霍尔效应的两次重要验证都是由中国科学家首次实现的，这也意味着中国在三维量子霍尔效应的研究领域处于领先地位。下一步，如果中国科学家能率先制造世界首个三维量子霍尔效应元件，他们将把科学研究推向实际应用层面，扩大优势。
标签：量子霍尔效应电子研究