三维量子霍尔效应是由复旦大学物理学系修发贤课题组在拓扑半金属砷化镉纳米片中首次观测到的。霍尔效应描述了当磁场加载到金属和半导体上时，电力与磁力之间的一种相互关系。经实验研究，该团队发现了由三维“外尔轨道”形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据，迈出了从量子霍尔效应从二维到三维的关键一步。
2019年5月9日，国际权威期刊《自然》发表了中国科学技术大学乔振华课题组与南方科技大学张立源课题组的研究成果：首次在毫米级的碲化锆材料上观测到三维量子霍尔效应。[1][2]
中文名三维量子霍尔效应
提出者修发贤课题组
外文名Three-dimensional quantum hall effect
应用学科物理学
研究历程
1879年，美国物理学家霍尔发现霍尔效应。他对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场，电子的运动轨迹将发生偏转，在导体的纵向方向产生电压，这个电磁现象就是“霍尔效应”。如果将电子限制在二维平面内，在强大的磁场作用下，电子的运动可以在导体边缘做一维运动，变得“讲规则”“守秩序”。
1980年，德国科学家冯·克利青首次在二维体系里发现了量子霍尔效应，改变了传统学界对物态和相变的理解，并把拓扑的概念引入到物理学研究里，量子霍尔效应也成了学术界的宠儿。
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，迄今已有四个诺贝尔奖与其直接相关。但一百多年来，科学家们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系，从未涉足三维领域。
从2014年起，南方科技大学张立源团队开始尝试实验研究该体系，希望在拓扑性质研究上有所斩获，却意外发现碲化锆也是研究三维体系的理想材料。2017年初，从事相同方向理论研究的中国科学技术大学乔振华团队与张立源团队开始密切合作，测试分析了难以计数的来自国内外著名研究机构的样品，终于在该三维宏观材料上观测到量子霍尔效应。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，提出了三维量子霍尔效应的来源于三维“外尔轨道”的观点。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。
北京时间2018年12月18日零点，复旦大学物理学系修发贤课题组关于三维量子霍尔效应的相关研究成果以《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》（“Quantum Hall effect based on Weyl orbits inCd3As2”）为题在线发表于《自然》（Nature， DOI：10.1038/s41586-018-0798-3。）杂志上。这是人类历史上首次在一种材料中发现的三维量子霍尔效应。
2019年5月，中国科学技术大学乔振华课题组与南方科技大学张立源课题组等合作，首次在毫米级的碲化锆材料上观测到三维量子霍尔效应，2019年5月9日，该研究成果发表在国际权威期刊《自然》上，引发学术圈的极大关注。[1][2]
发现意义
1879年发现的霍尔效应这一基础理论对半导体行业意义深远，因为它是二极管被发明出来的重要前提。
在毫米级的宏观尺度上实现了三维量子霍尔效应，补全了霍尔效应家族一个重要的拼图。乔振华认为：“丰富多彩的三维体系，将吸引众多学者加入到新型的三维量子物态以及相变领域的研究之中，并为霍尔效应家族的发展提供一个全新的领域和视角。”三维量子霍尔效应的发现为进一步科研探索提供了一定的实验基础。
在应用方面这个材料体系具有非常高的迁移率，电子的传输和响应很快，可以在红外探测、电子自旋方面做一些原型器件。是凝聚态物理领域重要的科学进展。[1][2]
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