三维体系中存在量子霍尔效应吗？如果有，电子的运动机制是什么？

把“房子”放歪发现来源于外尔轨道的运动机制

“我们在砷化镉纳米片中看到这一现象时，非常震惊，三维体系里边怎么会出现量子霍尔效应？”2016年10月，修发贤及其团队第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到量子霍尔效应的时候，就像目睹汽车飞到空中那样又惊又喜。

很快，他们的这一发现发表在了《自然·通讯》上。随后，在样品制备过程中借鉴了修发贤团队前期已发表的经验，日本和美国也有科学家在同样的体系中观测到了这一效应。但遗憾的是，基于当时的实验结果，实际的电子运动机制并不明确。

课题组提出了他们的猜想：一种可能的方式是从上表面到下表面的体态穿越，电子做了垂直运动；另一种可能是电子在上下两个表面，即在两个二维体系中，分别独立形成了量子霍尔效应。

课题组决定，打破砂锅问到底。但面对千分之一根头发丝大小的实验材料，快如闪电的电子运动速度，这实验该怎么做？起初，他们也不知该如何下手。

“我们把‘房子’放歪了！”实验材料虽小，灵感却可以从日常生活而来。

修发贤课题组想了一个办法，他们创新性地利用楔形样品实现可控的厚度变化。“屋顶被倾斜了，房子内部上下表面的距离就会发生变化。”修发贤比划出一个“横倒的梯形”。

通过测量量子霍尔平台出现的磁场，可以用公式推算出量子霍尔台阶。实验发现，电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响。这说明，随着样品厚度的变化，电子的运动时间也在变。所以，电子在做与样品厚度相关的纵向运动，其隧穿行为被证明了。

“电子在上表面走一段四分之一圈，穿越到下表面，完成另外一个四分之一圈后，再穿越回上表面，形成半个闭环，这个隧穿行为也是无耗散的，所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。”修发贤说，整个轨道就是三维的“外尔轨道”，是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源。

至此，三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开了。

全文亮点

基于三维拓扑半金属材料Cd3As2，发现一种新型的量子霍尔效应，认为三维量子霍尔效应的来源于与外尔轨道。

利用楔形Cd3As2纳米片，发现样品厚度对量子霍尔输运产生极大的调制。

朗道能级与磁场强度以及方向，以及样品厚度的依赖关系，与理论预测符合。