从八十年月初在二维电子系统中发现至今，做作中国量子霍尔效应作为超导之外的初次另一个驰名宏不雅量子天气在凝聚态物理中催生出了一个越趋沉闷的钻研规模。其外在本性，审核事迷是量霍将数学中的拓扑意见引入物理，逾越了Landau凭证对于称性破缺实际对于物资分类的尔效传统尺度，为近些年的应往拓扑物态与拓扑质料的快捷睁开奠基了根基。

量子霍尔效应是信网否只存在于二维系统？这个根基下场从二维量子霍尔效应发现后不久即引起规模的关注。早在1987年，做作中国Bertrand Halperin从实际上就预言了三维量子霍尔效应的初次存在以及它的丈量特色。但要验证这总体致效应，审核事迷对于质料系统与丈量本领的量霍要求都颇为高；尽管已经有诸多试验，试验上仍缺少可信的尔效审核证据。

合肥微尺度物资迷信国家钻研中间国内功能质料量子妄想中间（ICQD）以及物理系的应往乔振华教付与南方科技大学张立源教授、新加坡科技妄想大学杨声远教授、信网美国佛罗里达州立大学的做作中国杨昆教授、麻省理工学院的Patrick A. Lee教授以及布鲁海文国家试验室的Genda Gu教授等实际与试验相助，在碲化锆（ZrTe5）块体单晶体资料中初次审核到三维量子霍尔效应的清晰证据，并指出该效应可能是由于磁场下相互熏染发生的电荷密度波诱惑的。这一紧张钻研下场5月9日在线宣告在国内威信学术期刊《做作》上。

图1：三维量子霍尔效应及电荷密度波展现图。由于磁场效应，体内电子在面内的行动组成朗道能级，如上周遭圈所示。在唯逐个个Landau能级被占有的量子极限下，更强的电子分割关连效应导致电荷密度波的组成，并进而使患上系统转化为三维量子霍尔绝缘体。

在层状碲化锆资料中，垂直磁场的泛起使患上体内电子在垂直磁场的平面中组成朗道能级，如图1正上方的圆圈所示；而在侧领土，存在手性传输的电流。在垂直磁场的平面内，领土电子组成单向传输的边缘态，如图1最下层的侧边所示。发生该效应的关键是电子之间的分割关连熏染导致电荷密度波的组成。不论二维仍是三维量子霍尔效应，零星的体相都必需是绝缘的。对于三维系统，由于沿着磁场倾向的电子行动不受磁场影响，一个初始的金属态在弱电子分割关连效应下是无奈酿成绝缘体的。而当零星进入唯逐个个Landau能级被占有的量子极限地域，电子之间的分割关连效应大大增强，导致费米面的不晃动。其服从是组成为了一种配合的量子态—电荷密度波，即电子的密度沿着磁场倾向以确定的周期振荡，全部人系转化为三维量子霍尔绝缘体。

图2：a: ZrTe5的晶格妄想。b：试验丈量的费米面形态。该费米面是封锁的，表征该电子系统的三维特色。c: 三维量子霍尔天气

碲化锆是一种各向异性较强的三维层状质料，如图2（a）所示。碲原子以及锆原子沿着x倾向组成一维原子链，该原子链沿着y倾向重叠为一层，xy面内的原子层再沿着z倾向重叠成为体质料。费米面的形态尽管存在各向异性，但仍是一个封锁的椭球面，如图2（b）所示，以是全部人系仍为三维零星。

当沿着z倾向施加磁场时，该钻研团队在试验上审核到一系列电阻振荡。特意紧张的是，当系统进入量子极限地域时，纵向电阻为零，而霍尔电阻的数值以及z倾向的费米波矢相分割关连，如图2（c）所示。这一配合行动，与Halperin在1987年预言的三维量子霍尔效应的特色残缺不同。

综上所述，这一使命终于将履历了30余年期待的三维量子霍尔效应这一预言揭示于众人眼前。在这个效应中，由于维度的差距，天气眼前的宏不雅物理机制也揭示其别致与迷人的方面。该发现有望为未来的凝聚态物理的睁开注入新的去世气愿望。

南方科技大学张立源教授、中国迷信技术大学乔振华教授以及新加坡科技妄想大学杨声远教授为本文的配合通讯作者；南方迷信技术大学博士生汤方栋以及中国迷信技术大学物理系博士生任亚飞为配合第一作者。

上述钻研患上到了国家做作迷信基金委、科技部、中组部、中科院以及安徽省的扶助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1180-9