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第一作者：Fangdong Tang, Yafei Ren

通訊作者：Liyuan Zhang、Zhenhua Qiao、Shengyuan A. Yang

通訊單位：南方科技大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、新加坡科技設(shè)計大學(xué)

研究亮點：

1. 實驗上證實三維量子霍爾效應(yīng)。

2. 發(fā)現(xiàn)金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變。

20世紀(jì)80年代，科學(xué)家在二維電子系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)（QHE），使得拓?fù)湓谀蹜B(tài)物理中發(fā)揮核心作用。幾十年來，不斷有理論預(yù)測將QHE拓展到三維電子體系的可能性，但始終未能通過實驗證明。

有鑒于此，南方科技大學(xué)Liyuan Zhang、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)Zhenhua Qiao以及新加坡科技設(shè)計大學(xué)Shengyuan A. Yang等團(tuán)隊及其合作者在實驗上從體相ZrTe₅晶體中發(fā)現(xiàn)了三維量子霍爾效應(yīng)。

圖1. 溫度依賴的傳輸性能

要點1：3D QHE響應(yīng)

研究人員在磁場下對塊狀ZrTe₅晶體進(jìn)行低溫電傳輸測量，并在相對較低的磁場下實現(xiàn)計算量子極限，僅占用最低的Landau能級。在此區(qū)域，研究人員觀察到無耗散縱向電阻率，接近于零，與霍爾電阻率平臺中沿場方向的費(fèi)米波長的一半成比例。這種響應(yīng)具有3D QHE特征，強(qiáng)烈表明了在極端量子極限下，費(fèi)米表面不穩(wěn)定性受增強(qiáng)的相互作用效應(yīng)驅(qū)動。

圖2. ZrTe₅費(fèi)米表面的拓?fù)浜托蚊?/span>

圖3. 邊界態(tài)的3D QHE和傳輸特征

要點1：金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變

通過進(jìn)一步增加磁場，縱向和霍爾電阻率都顯著增加并且顯示出金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變行為，這表明了磁場驅(qū)動的另一個量子相變。

圖4. 金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變

小結(jié)

總之，這項研究結(jié)果為3D QHE提供了可靠的實驗證據(jù)，為進(jìn)一步探索3D系統(tǒng)中的奇異量子相和躍遷提供了有用的平臺。

參考文獻(xiàn)：

FangdongTang, Yafei Ren, Shengyuan A. Yang, Zhenhua Qiao, Liyuan Zhang et al. Three-dimensionalquantum Hall effect and metal–insulator transition in ZrTe₅. Nature2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1180-9