Forskere demonstrerer tredimensionel quantum Hall-effekt for første gang

Quantum Hall -effekten (QHE), som tidligere var kendt for todimensionale (2-D) systemer, blev forudsagt at være mulig for tredimensionelle (3-D) systemer af Bertrand Halperin i 1987, men teorien blev først bevist for nylig af forskere fra Singapore University of Technology and Design (SUTD) og deres forskningssamarbejdspartnere fra hele verden.

Hall -effekten, en grundlæggende teknik til materialekarakterisering, opstår, når et magnetfelt afleder elektronstrømmen sidelæns og fører til et spændingsfald i tværretningen. I 1980, forskere gjorde en overraskende observation, da de målte Hall-effekten for en todimensionel (2-D) elektrongas fanget i en halvlederstruktur-den målte Hall-resistivitet viste en række helt flade plateau, kvantificeret til værdier med en bemærkelsesværdig nøjagtighed på en del i 10 mia. Dette blev kendt som QHE.

QHE har siden revolutioneret den grundlæggende forståelse af kondenseret fysik, skaber et stort område inden for fysikforskning. Mange nye emner, såsom topologiske materialer, kan også spores tilbage til det.

Kort efter opdagelsen, forskere forfulgte muligheden for at generalisere QHE fra 2-D-systemer til tre dimensioner (3-D). Bertrand Halperin forudsagde, at en sådan generaliseret effekt, kaldet 3-D QHE, er faktisk muligt i et seminal papir udgivet i 1987. Fra teoretisk analyse, han gav underskrifter for 3D-QHE og påpegede, at forbedrede interaktioner mellem elektronerne under et magnetfelt kan være nøglen til at drive et metalmateriale ind i 3D-QHE-tilstanden.

30 år er gået siden Halperins forudsigelse, og mens der har været en fortsat indsats for at realisere 3D-QHE i eksperiment, klare beviser har været undvigende på grund af de strenge betingelser, der kræves for 3D-QHE-materialet skal være meget rent, har høj mobilitet, og lav bæretæthed.

SUTDs eksperimentelle samarbejdspartner, det sydlige universitet for videnskab og teknologi (SUSTech) i Kina, har arbejdet på et unikt materiale kendt som ZrTe ₅ siden 2014. Dette materiale er i stand til at opfylde de krævede betingelser og udvise signaturer af 3D-QHE.

I forskningspapiret offentliggjort i Natur , forskerne viser, at når materialet afkøles til meget lav temperatur, mens det er under et moderat magnetfelt, dets langsgående resistivitet falder til nul, hvilket angiver, at materialet omdannes fra et metal til en isolator. Dette skyldes de elektroniske interaktioner, hvor elektronerne omfordeler sig selv og danner en periodisk densitetsbølge langs magnetfeltretningen (som illustreret på billedet) kaldet ladningstæthedsbølgen.

"Denne ændring ville normalt fryse elektronbevægelsen, og materialet bliver isolerende, forhindrer elektronen i at strømme gennem materialets indre. Imidlertid, ved hjælp af dette unikke materiale, elektronerne kan bevæge sig gennem overfladerne, giver en Hall -resistivitet kvantificeret efter bølgelængden af ​​ladningstæthedens bølge, "forklarede medforfatter professor Zhang Liyuan fra SUSTech. Dette beviser igen den første demonstration af den lange spekulerende 3-D QHE, skubber den berømte QHE fra 2-D til 3-D.

"Vi kan forvente, at opdagelsen af ​​3D-QHE vil føre til nye gennembrud i vores viden om fysik og give et overflødighedshorn af nye fysiske effekter. Denne nye viden, på den ene eller anden måde, vil også give os nye muligheder for praktisk teknologisk udvikling, "sagde medforfatter, Lektor Yang Shengyuan fra SUTD.