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热忱坚守 潜心攻关 南科大物理系张立源团队实验验证三维量子霍尔效应
2019年05月14日 专题 浏览量 : 返回

1987年,著名物理学家、哈佛大学教授Bertrand Halperin从理论上预言了三维量子霍尔效应的存在和它的测量特征。32年的漫长等待后,南方科技大学物理系副教授张立源团队联合中国科学技术大学教授乔振华、新加坡科技设计大学教授杨声远、美国佛罗里达州立大学教授杨昆、麻省理工学院教授Patrick A. Lee和布鲁海文国家实验室Genda Gu教授研究组,突破重重难关,首次实验证实了这项预测,揭开了三维量子霍尔效应的神秘面纱。相关研究成果近期发表在知名国际学术期刊《自然》上。

 

重要突破开启研究新领域

将一块金属或半导体置于一个磁场内,然后通电流,通常在垂直于磁场和电流的方向会产生电压差,这就是许多人了解的霍尔效应。上世纪70年代起,半导体超晶格薄膜生长技术的发展为学界研究二维电子气体系提供了坚实的基础。1980年,德国科学家冯·克利青(Klaus von Klitzing)首次在二维体系里发现了量子霍尔效应,改变了传统学界对相变的理解,并将拓扑的概念引入物理学的研究中。此后近四十年,针对二维体系量子霍尔效应的研究也成了诺贝尔奖等各类重要奖项的常客。

那么,能否在三维体系里观测到量子霍尔效应呢?自1987年Halperin从理论上预测三维电子气中可能存在量子霍尔效应以来的30多年内,世界各地的研究团队开展了多种尝试,试图从实验上实现从二维到三维系统的跨越,然而迄今仍未有确凿的观测证据。

三维量子霍尔效应效果示意图

 

潜心研究率先验证预测

要实现三维量子霍尔效应,就需要达到所谓的极端量子极限条件(Extreme Quantum Limit)。这个实验条件要求异常苛刻,如果选用常用的金属铜块作为研究对象,要施加超过3000特斯拉的磁场才能进入极端量子极限态,而这是当前的实验条件无法提供的。因此,三维量子霍尔效应方向的研究一度处于几乎停顿的状态。

(a)ZrTe5晶体结构(b)封闭的三维费米面结构

为了满足这项苛刻的条件,张立源团队巧妙地选用了高品质的五碲化锆(ZrTe5)晶体作为研究对象。五碲化锆晶体是一种各向异性较强、三维层状结构的新型拓扑材料(图(a)所示)。团队利用其所低载流子浓度,超高迁移率的特点,使体系能够在实验条件允许的磁场环境下进入量子极限。另外,为了避免样品的多个电子口袋相互影响,使实验分析复杂化,团队还特意筛选出只有单个电子口袋的样品进行实验(图(b)所示)。

值得一提的是,拓扑序理论的提出者、美国国家科学院院士文小刚教授专门点评了团队的这一实验发现,称“这一新的实验发现,给了我们一个新的材料体系,其中也能产生拓扑序。”

 

不畏困难功夫不负有心人

潜心研究终得硕果累累,看似是“四年磨一剑”,张立源却说,做学问远比“磨剑”的变数更多。

起初,张立源的研究方向主要集中在二维材料体系这个热门且充满激烈竞争研究领域。研究过程中,张立源注意到了三维电子气这一相对“冷门”的研究方向。不惧“跨界”的他果断地决定调整目标,“边做边学”。研究初期,由于早期样品的品质不同,实验结果呈现出复杂的多样性,研究团队一度陷入迷茫中。“就像在茫茫荒漠中,找不到路标。”坚持还是放弃?困难当头,张立源决定沉住气、细心分析,鼓励团队振作精神,继续前进。

终于,在某天分析一组常规的实验数据时,张立源发现了一个此前忽略掉的规律。他立刻集合了实验课题组,安排团队尽快开展一系列重复实验,并成功验证了这个规律,终于打开了研究的突破口。这项突破一方面归功于灵感的眷顾,但更多来自于张立源在做学术时十分看重且始终贯彻的品质:细心和恒心。课题组博士后王培培认为,观察到三维量子霍尔效应看似偶然,实则幸运背后是长期的坚持和努力所叠加出的必然。“张立源老师的学术敏锐性和咬定青山的坚持,让这个项目得以开展和坚持下去,这是课题组能够取得突破性研究成果的最关键要素。”同时他还提到一个细节,他2016年1月加入课题组时就开始尝试生长这个ZrTe5材料,刚开始一直受困于单晶迁移率不高,但张立源老师始终坚持追求高质量晶体,在组会上无数次强调:“Quality!Quality!Quality!”为了得到高迁移率的单晶,张立源与美国布鲁克海文实验室的Genda Gu合作,得到了用flux方法生长的ZrTe5单晶,迁移率提高了10倍多。“只有样品足够纯净、质量足够高,才能得到好的性质,而这,也正是课题组最终测出三维量子霍尔效应现象的前提。”从细节出发,于深处升华,正是这种精益求精的态度,让课题组在追求高质量单晶的过程中,有了看似意外、实为必然的收获。

张立源说:“有时候研究就像挖矿一样,认准目标,不要轻易放弃。”

“这项成果对未来学术研究和日常生活的影响我也无法猜测,我能做的就是告诉大家,这里还有个钻石矿在向大家招手。”张立源说。

 

严谨专业多方合作攻关

一项出色的成果背后,是辛勤的汗水和长期的付出。三维量子霍尔效应的研究过程可谓十分“硬核”。

为了全面表征出样品的具体特性,研究团队需要通过磁场在空间的各个不同方向扫描,以及电阻数据细致分析,而这个过程最为繁琐。近四年下来,实验室测试了难以计数的样品,有的是实验室自制的,还有的来自国内外各著名研究机构。据论文第一作者、课题组博士汤方栋回忆,他在研究过程中做了大量ZrTe5单晶项目样品的测试,其中样品性质好的测试需要耗时数周,性质不好的也要2天左右。在日复一日、繁琐复杂的测试当中,他也深切地意识到了理解实验数据、深入挖掘数据内涵的重要性。在团队繁重的科研任务下,汤方栋和南科大实验团队其他博士生、博士后王培培等始终努力认真、严谨高效,显示出了优良的科研素养,是张立源盛赞的“大功臣”。

现代科学研究中,学科交叉、团队合作的重要性越发凸显。张立源说,三维量子霍尔效应的研究中,多方的合作和沟通起到了不可或缺的作用。此次的研究成果,就得到了美国布鲁克海文国家实验室Genda Gu组、佛罗里达州州立大学的杨昆教授,麻省理工学院的Patrick A Lee等资深学者们的合作和指导。论文第二通讯作者,中国科大乔振华教授还曾带着自己课题组的学生短暂“搬”来南科大,和新加坡科技设计大学的杨声远教授一起全力协助张立源课题组进行实验数据分析,并及时提出各种反馈和建议,对推进课题研究的不断进展做出了突出贡献。

研究的顺利完成,也离不开学校的大力支持。张立源回忆道,自2014年加入南科大后,他便着手筹备这项研究,开始购置设备、招募人才。深圳市政府、学校和院系都给了很大的帮助和支持。特别需要指出的是,在团队经费最困难的时候,校长陈十一专门从校长基金里拨出专项资金支持该项目。此后,俞大鹏院士领衔的广东省创新团队解决了经费的后顾之忧。回首在南科大潜心研究的五年,张立源说,自己有幸见证了学校和物理系的成长,对校园浓厚的学术氛围深有感触,也十分感恩在他成长过程中帮助过他的人和机构。

张立源介绍研究成果

从决心选择这项研究工作的那天起,在困难重重的迷茫期,在反复试验的平淡日夜中,团队都选择了坚持和全力以赴。终于,这项瞩目的学术成果得以呈现在世人眼前。

当被问及未来的打算时,张立源说,今天三维量子霍尔效应已经被观测到,在丰富多姿的三维体系里会存在无限可能性,自己也会继续这个新开辟方向的研究。他希望自己和学校的其他青年学者们都能始终对学术保持耐心和热爱,不断取得更多优秀的学术成果。他相信,只要不懈努力,幸运之星终会眷顾。

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

文字:刘馨

摄影:王凯强

视频制作:郑艺俊

部分图片由课题组提供

主图设计:丘妍

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