央廣網(wǎng)上海11月2日消息（記者傅聞捷）近日，復(fù)旦大學(xué)物理系修發(fā)賢教授課題組在拓?fù)浒虢饘偕榛k納米片中探測(cè)到由表面態(tài)費(fèi)米弧和體態(tài)手性能級(jí)構(gòu)成的一種新型電子回旋軌道-外爾軌道,，并首次發(fā)現(xiàn)其在強(qiáng)場(chǎng)下的量子霍爾效應(yīng),。今天，相關(guān)研究成果以《狄拉克半金屬砷化鎘中外爾軌道的演變以及量子霍爾效應(yīng)》（Evolution of Weyl orbit and quantum Hall effect in Dirac semimetal Cd3As2）在線發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications 8,，1272,，DOI: 10.1038/s41467-017-01438-y （2017））。

近幾年拓?fù)浒虢饘俚呐d起使得能帶的拓?fù)浞诸愑山^緣體拓展到了半金屬,。其低能態(tài)電子激發(fā)符合所謂的外爾方程,，對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)粒子屬于無(wú)質(zhì)量且有手性的外爾費(fèi)米子，母體材料被稱為外爾半金屬,。本次研究的狄拉克半金屬砷化鎘可被看成是相反手性外爾點(diǎn)在倒空間簡(jiǎn)并的一種特殊的外爾半金屬,，它們被統(tǒng)稱為拓?fù)浒虢饘佟Ｍ負(fù)浒虢饘儆泻芏嘈缕娴奈锢硇再|(zhì),，比如體態(tài)能帶是線性色散,，使得載流子遷移率非常高，并且具有超大的磁阻,，在外場(chǎng)下出現(xiàn)的手性異常,。修發(fā)賢課題組近年在拓?fù)浒虢饘兕I(lǐng)域中關(guān)于這些新奇特性做了大量研究工作。

除此之外,，拓?fù)浒虢饘龠€具有一個(gè)重要特征-費(fèi)米弧表面態(tài),。常規(guī)的沒(méi)有達(dá)到布里淵區(qū)邊界的費(fèi)米面都是閉合的，而這里的費(fèi)米弧則是一段非閉合曲線,。這一獨(dú)特性質(zhì)在研究中通常被當(dāng)作確認(rèn)拓?fù)浒虢饘俚闹匾笜?biāo),，在光電子能譜實(shí)驗(yàn)中有大量應(yīng)用,。在磁場(chǎng)下，普通能帶的電子在倒空間會(huì)沿著費(fèi)米面截面的閉合曲線做回旋運(yùn)動(dòng),，而對(duì)于費(fèi)米弧而言,，其兩個(gè)端點(diǎn)最終連接的是體態(tài)的外爾點(diǎn)，因此正常情況下不會(huì)形成回旋軌道,。加州大學(xué)伯克利分校的Ashvin Vishwanath小組提出如果在低維體系中,，上下表面的費(fèi)米弧能在磁場(chǎng)下耦合起來(lái)形成閉合回路，用于連接的正是同樣穿過(guò)外爾點(diǎn)的體態(tài)手性能級(jí),，就如同在晶體中構(gòu)建了一個(gè)連接不同表面的蟲洞,，能讓電子發(fā)生自由隧穿。這一理論在2016年被一實(shí)驗(yàn)課題組通過(guò)測(cè)量對(duì)應(yīng)耦合軌道的量子振蕩所驗(yàn)證,。

此次的研究工作則進(jìn)一步研究耦合軌道面積和體態(tài)費(fèi)米波矢依賴關(guān)系,，從另一個(gè)角度證明了外爾軌道的機(jī)制。更重要的是,，本次實(shí)驗(yàn)所生長(zhǎng)的高質(zhì)量砷化鎘納米晶體相比之前研究中的塊材具有極低的費(fèi)米面,，在強(qiáng)磁場(chǎng)下能突破體態(tài)的量子極限并將表面電子態(tài)處于較低的朗道能級(jí)。出乎意料的是這一耦合軌道在實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)出了量子霍爾效應(yīng),。常規(guī)來(lái)說(shuō),，量子霍爾效應(yīng)只發(fā)生在二維體系，而此處的外爾軌道具有沿磁場(chǎng)方向的體態(tài)運(yùn)動(dòng),，發(fā)生在第三個(gè)維度,。對(duì)此，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象反過(guò)來(lái)說(shuō)明通過(guò)手性能級(jí)的體態(tài)過(guò)程也是個(gè)無(wú)耗散的輸運(yùn),，并且樣品的尺寸限制效應(yīng)導(dǎo)致了對(duì)應(yīng)體態(tài)的輸運(yùn)模式是有限的,。根據(jù)量子霍爾電阻隨磁場(chǎng)的演變，電子態(tài)的一些關(guān)鍵參數(shù)比如簡(jiǎn)并度,、費(fèi)米弧長(zhǎng)度等也被分析獲取,，對(duì)后續(xù)的深入研究起到了很好的推動(dòng)作用。物理上而言,，這個(gè)發(fā)現(xiàn)具有重大意義,，它將量子霍爾態(tài)首次引入到拓?fù)浒虢饘伲⒆C明手性能級(jí)的無(wú)耗散輸運(yùn),，將會(huì)把外爾軌道的研究推上了一個(gè)新的高度和理論深度,。

據(jù)了解，該工作是在中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心,、美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室（NHMFL）等單位提供的強(qiáng)磁場(chǎng)條件下完成的,，愛(ài)爾蘭都柏林三一學(xué)院（Trinity College）的Stefano Sanvito教授和Awadhesh Narayan博士提供了理論支持，修發(fā)賢教授為通訊作者，課題組博士生張成為第一作者,。

在論文發(fā)表過(guò)程中,，南方科技大學(xué)物理系盧海舟課題組也同時(shí)在理論上提出基于外爾軌道的三維量子霍爾效應(yīng)（Phys. Rev. Lett. 119, 136806 (2017)）。

修發(fā)賢課題組主要從事拓?fù)涞依瞬牧系纳L(zhǎng),、量子調(diào)控以及新型二維原子晶體的器件研究。在狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生長(zhǎng),、物性測(cè)量以及量子器件的制備與表征,。在二維材料的器件方面主要研究其電學(xué)、磁學(xué)和光電特性,。本工作獲得了復(fù)旦大學(xué)物理系,、應(yīng)用表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家青年千人計(jì)劃,、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、基金委優(yōu)秀青年基金和面上項(xiàng)目的大力支持。