本文摘要：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找到之一，迄今已有四个诺贝尔奖与其必要涉及。

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找到之一，迄今已有四个诺贝尔奖与其必要涉及。但是三维量子霍尔效应一百多年来都是科学家们心中的一片圣地，直到去年12月，我国复旦大学物理学系由修发贤课题组才发布，人类首次观测到三维量子霍尔效应。

　　而近日，中国科技大学与其合作团队在《大自然》刊出论文回应，他们通过实验检验了三维量子霍尔效应，并找到了金属-绝缘体的切换。　　电信号与磁信号切换的桥梁　　之前，科学家对于量子霍尔效应的研究意味着逗留于二维体系，而对于三维体系也只有无尽的猜测。

修发贤团队找到了由三维外尔轨道构成的新型三维量子霍尔效应的必要证据，迈进了量子霍尔效应从二维到三维的关键一步。　　此次，中国科技大学的合作研究团队紧随其后，更进一步证实了三维量子霍尔效应并检验了明显的流形绝缘体现象。　　霍尔效应由美国物理学家E.霍尔于1879年在实验中找到，以其人名命名并流传于世。

其核心理论就是，带电粒子（例如电子）在磁场中运动时会受到洛伦兹力的起到再次发生转动，那么在磁场中的电流也有可能再次发生转动。当电流垂直外磁场通过半导体时，载流子再次发生转动，在导体两端冲刷电荷从而在导体内部产生电场，其方向垂直电流和磁场的方向。

当电场力和洛伦兹力相平衡时，载流子仍然转动。而此时半导体的两端不会构成电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称作霍尔电势差。

　　总的来说，霍尔效应只不过是电信号与磁信号的桥梁，任何电信号切换为磁信号的地方都可以有霍尔传感器。　　这个看起来高深的概念，只不过和我们的生活很将近：比如我们将霍尔元件放到汽车中，可以测量发动机的扭矩，车轮的扭矩及方向偏移；再行比如，将霍尔元件放到电动自行车中，可以制成掌控电动车前进速度的并转把。

　　量子霍尔效应逗留在二维空间　　在霍尔效应找到100年后的1980年，德国青年教师克劳斯冯克利青通过理论分析和实验找到了整数量子霍尔效应，将霍尔效应带回了量子的领域。　　冯克利青找到，量子霍尔效应一般都是在超低温和强磁场等极端条件下经常出现。

在极端条件下，电子的转动仍然像普通霍尔效应中一样，而是显得更为轻微并且转动半径显得较小，好像就在导体内部环绕着某点转圈圈。也就是说，导体中间的部分电子被锁了，要想要导通电流不能回头导体的边缘。

因为这些找到，他在1985年取得诺贝尔物理学奖。　　虽然量子霍尔效应是诺贝尔奖的常客，但涉及研究仅限于二维量子系统中。却是我们生活在三维空间中，如果伸延到三维系统中，量子霍尔效应不会有怎样的有所不同？　　另辟蹊径检验三维量子霍尔效应　　之前构建三维量子霍尔效应的思路，主要将二维量子系统展开填充。

但这样获得的只是定二维量子霍尔效应，并没观测到显著的量子霍尔电阻以及电子在空间的波动。　　我国科学家另辟蹊径，自由选择了不一样的材料。

修发贤课题组自由选择的是砷简化镉楔形纳米结构，中国科技大学团队自由选择的是碲简化锆三维晶体。这些被指出是流形绝缘体的三维纳米结构，有数科学家在其中观测到与二维量子霍尔效应类似于的现象，即其一个方向的电阻呈现出台阶式变化，另一个方向的电阻呈现出波动。而我们分别在世界上首次构建对三维量子霍尔效应的观测和检验。

　　在这次研究中，中国科技大学团队还将材料的导电特性展开了大扫瞄，得出结论了金属-绝缘体的切换规律：人们需要通过掌控温度和另加磁场构建金属-绝缘体的转化成。这种原理可以用来生产量子磁控电源等电子元器件。三维量子霍尔效应材料中的电子迁移率都迅速，电子能较慢传输和号召，在红外观测、电子自旋器件等方面享有应用于前景。再度，三维量子霍尔效应因具备量子化的导电特性，还能应用于类似的载流子传输系统。

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