（通讯员胡浩）1月14日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）刊发了强磁场物理研究所张骁骁教授课题组在三维量子霍尔效应方面的研究成果，论文题为“In-plane anomalous features in the 3D quantum Hall regime”。该成果由张骁骁教授与北京量子信息科学研究院鹿鸣助理研究员合作完成，张骁骁教授为论文通讯作者，304永利集团为唯一通讯单位。

量子霍尔效应作为凝聚态物理中最著名的量子效应之一，主要依靠磁场对二维电子气进行调控。在三维体系中探索量子霍尔效应一直是学界的不懈追求。近年来，该领域实验与理论成果不断涌现，除了早年提出的电荷密度波方案得以实现，外尔半金属系统在强磁场下被发现可具有本征的三维量子霍尔效应，持续吸引着实验界的关注。然而，此前研究主要面临两大难题。其一，三维量子霍尔效应与经典二维量子霍尔效应在输运现象上并无显著差异，均表现为量子化的霍尔电阻与零纵向电阻。因此，从理论层面厘清三维本征特性，探明两者是否存在实质的物理区分显得尤为关键。前期研究中，张骁骁课题组发现在三维量子霍尔效应中垂直于磁场的平面内存在奇特的各向异性，会对量子化产生压制，初步展现了超出二维量子霍尔效应的新现象（Nano Letters 22, 3033）。其二，在实际块体或薄膜材料中，不仅存在多种与几何、尺寸、表面等效应相关的（准）二维量子霍尔效应机制，而且这些机制对应的物态（如拓扑绝缘体、狄拉克半金属等）在实验相图中常常紧邻三维量子霍尔效应对应的物态（如外尔半金属）。这使得实验中难以区分三维内禀机制与各类（准）二维机制，无法准确确认三维量子霍尔效应体系，严重阻碍了后续研究的深入开展。

图1(a)竖直磁场下量子霍尔效应的经典输运测量构型；(b)通常被认为平庸的面内输运测量构型。

图2与三维量子霍尔效应共存的三种典型现象（竖线代表量子霍尔平台的转变点）：(a)面内霍尔量子振荡；(b)非量子化的二端电阻；(c)对无序稳定的负纵向电阻。

上述问题的根源在于绝大多数研究依赖二维量子霍尔效应的经典图像，聚焦与磁场方向垂直的平面上的输运（图1a），认为仅该平面才具有磁通或洛伦兹力效应。张骁骁课题组发现，正是三维体系才可能实现与磁场平行的面内输运测量（图1b），这一“平庸”构型因看似无磁通而长期被忽视，实际上却隐藏着全新的三维本征特性，超越了霍尔电阻量子化的经典模式。在与三维量子霍尔效应共存的情况下，该体系的新输运构型呈现诸多新奇现象，包括新的霍尔量子振荡（图2a）、非量子化的二端电阻（图2b）以及可由测量构型调控的霍尔量子化与非量子化，尤其产生了极其反常罕见的负纵向电阻（图2c），且具有对无序的稳定性。这些现象均与二维量子霍尔效应的经典图像相悖，为解决上述理论与实验挑战提供了直接方案，具有重要指导意义。通常认为量子化输运可根据拓扑数进行对应刻画，但进一步的计算表明，该三维体系中二者未必对应，超出了这一广泛接受的图像，因而开启了一类新的输运测量及相关现象的探索途径。

论文链接：

https://doi.org/10.1103/qwsp-vrm5

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00296