中美高校合作，在分数量子反常霍尔效应研究方面取得突破性进展

中国科学家在量子霍尔效应相关的研究上取得重要进展。

(资料图)

凝聚态物理领域的量子霍尔效应的相关研究曾经三获诺奖，一次是二维电子系统中量子霍尔效应的发现，另一次是分数量子霍尔效应的发现，这两次发现都是在强磁场情况下产生的现象。还有一次则是与量子霍尔效应相关的理论发现。

发表期刊网页的截图。本文图片均为 上海交通大学 供图 

近日，上海交通大学李听昕、刘晓雪团队发现并验证零磁场条件下分数量子反常霍尔效应的存在，成果发表在物理学研究领域的著名期刊《物理学评论X》上，并被重点推荐。

上海交大介绍，这一成果在该领域内实现了突破性的进展，而且团队通过原创的新型器件的制备方法为后续的一系列研究铺平了道路。该研究开启了零磁场条件下研究分数电荷激发、任意子统计等新奇物性的大门，为拓扑量子计算等研究提供了新的可能与机遇。

两层MoTe2转角形成的莫尔超晶格结构示意图，其中红色原子代表Mo，蓝色原子代表Te. 三种高对称性堆垛方式在图中用不同颜色圆圈表示。

霍尔效应的前世今生

美国科学家霍尔（Edwin Hall）在1879年研究金属的导电机制时发现，给一块导体施加电流和一个垂直于电流方向的磁场，由于受到洛伦兹力的作用，导体中电子的运动轨迹将发生偏转，从而会在垂直于电流和磁场的方向的导体两端产生一个电压，称之为霍尔电压，该效应被称为霍尔效应。根据霍尔效应原理制成的霍尔传感器，在速度传感等方面至今应用广泛。

1980年初，德国物理学家K. von Klitzing在研究二维电子系统的霍尔电阻时，发现极低温和强磁场的极端条件下，样品的霍尔电阻出现了一系列量子化的平台，并且纵向电阻会相应呈现出零电阻态。这一现象被称之为整数量子霍尔效应。

后来，理论物理学家意识到，必须要利用数学中的拓扑理论，将拓扑的概念引入物理研究，才能完整理解整数量子霍尔效应，由此开启了拓扑物理研究时代。整数量子霍尔效应，也成为人类发现的第一种拓扑量子物态。

通常，真空中的电子总是带整数的电荷数，不可能出现带分数的电荷。上海交大物理与天文学院副教授李听昕打比方说，在后来惊人发现的分数量子霍尔效应中，一个电子就好像可以分裂成三份，每一份都带1/3电荷。可以说，分数量子霍尔效应是本质上不同于整数量子霍尔效应的强关联量子物态，是一种奇异的量子流体，成为拓扑量子计算的重要候选方案之一。

然而，有正常效应，就可能有反常效应。美国理论物理学家D. Haldane在1988年计算得出：可以出现零磁场下的整数量子霍尔效应，后来被称作：量子反常霍尔效应。这一理论工作也是他荣获2016年诺贝尔物理学奖的代表性工作之一。至此，量子霍尔效应先后获得了3次诺奖。

转角MoTe2中分数量子反常霍尔效应的直接观测

近年来，基于二维材料莫尔超晶格系统，国际国内的研究者们在有关分数量子反常霍尔效应的理论和实验研究方面开展了大量探索，最终将目光聚焦到转角MoTe2体系。今年4-5月，美国华盛顿大学Xiaodong Xu研究团队和美国康奈尔大学Kin Fai Mak，Jie Shan研究团队分别独立地报道了转角MoTe2中存在有分数量子反常霍尔态的迹象。但光学测量手段一般难以给出分数量子反常霍尔效应存在的直接确凿证据。

左图：实验测得的转角MoTe2中分数量子反常霍尔效应的霍尔电阻随磁场的变化； 右图：零磁场极限下霍尔电导随莫尔超晶格填充因子的变化，可见清晰的整数（e^2/h）与分数(2e^2/3h)量子化霍尔电导平台。

最近，上海交通大学李听昕、刘晓雪团队（实验）与美国田纳西大学张阳团队（理论）合作，在分数量子反常霍尔效应研究方面取得了突破性进展。他们设计制备了新型转角MoTe2莫尔超晶格器件，通过开展电学输运实验，直接观测到分数量子反常霍尔效应存在的确凿证据，该工作是国际上同期两个独立实验工作之一（另一实验工作由美国华盛顿大学Xiaodong Xu研究团队完成）。

该工作得到了审稿人的高度评价，被认为是领域内的突破性进展，且原创的新型器件制备方法为后续一系列围绕分数量子反常霍尔效应的研究铺平了道路。该研究开启了零磁场条件下研究分数电荷激发、任意子统计等新奇物性的大门，为拓扑量子计算等研究提供了新的可能和机遇。论文发表在Physical Review X 13, 031037 (2023)上，并被编辑以Featured in Physics 形式重点推荐；Nature出版的“news & views”评论文章认为两项研究工作为分数量子反常霍尔效应提供了确定性的证据（smoking-gun signature）。