近期，据知名媒体报道，复旦大学物理学系修发贤课题组在《自然》杂志上刊发了他们的研究成果：在拓扑半金属砷化铬纳米片中观测到由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应。该项研究成果我国科学家首次在三维空间中发现量子的霍尔效应。
什么是霍尔效应
霍尔效应实际上一种电磁效应的。我们给一块半导体通电，在导体外面外加一个与电流方面垂直的磁场，磁场会使半导体中的电子与空穴（可以视为正电荷）受到不同方向的洛伦兹力而在不同方面上聚集，聚集起来的电子和空穴之间会产生电场，此时在半导体两侧产生了垂直于磁场和电流方向的电压，而且在此电压生成的电场力和磁场的洛伦兹力平衡以后，后来的电子和空穴就不在聚集，顺利通过不发生偏移。这种现象是由美国物理学家霍尔于1879年研究金属导电机制的时候发现的，所以命名为“霍尔效应”，且在实际生活中产生了广泛的应用。如：汽车的点火系统，设计人员将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作机械断电器，用作点火脉冲发生器。
修发贤课题组发现三维量子霍尔效应
通常，量子霍尔效应是将电子限制在二维平面内，在强大的磁场作用下，电子在平面的边缘做一维规则的运动，且测量得到电压。这些实验都是在二维体系中进行的。修发贤团发现量子霍尔效应在三维空间中同样存在。2016年10月，他们团队第一次用高质量的三维砷化铬纳米片测量到了量子霍尔效应，如同目睹到汽车飞到空中一样。
但是当时对于这个现象他们团队提出两种猜想：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。于是他们想了一个办法，创新性利用楔形样品实现可控厚度变化，如同房顶倾斜了，房子内部上下表面的距离就发生了变化。
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。
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。而三维量子霍尔效应首次被中国科学家揭开了，修发贤课题组的发现为未来三维空间量子化传输提供了新思路和试验基础，未来将在光电探测、拓扑量子计算、低功率电子器件等方面发挥重大应用价值。
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