科学家找到分数量子反常霍尔效应存在证据

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9月27日，《物理评论X》发表上海交通大学物理与天文学院副教授李听昕、上海交通大学李政道研究所李政道学者刘晓雪团队与美国田纳西大学张阳团队合作的最新科研成果，他们设计制备出新型转角二碲化钼（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。审稿人认为，这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。论文被被编辑以“物理亮点”形式重点推荐；《自然》杂志出版的“新闻与观点”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。

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两层MoTe2转角形成的莫尔超晶格结构示意图。上海交大供图

量子霍尔效应三获诺奖

凝聚态物理领域的量子霍尔效应相关研究曾三次获得诺贝尔奖。

1879年，美国科学家霍尔在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，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方向的导体两端产生电压，该效应被称为霍尔效应。

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，发现在低温和强磁场条件下，样品的霍尔电阻出现了一系列量子化的平台，并且纵向电阻呈现零电阻态。K. von Klitzing意识到，这一现象与二维电子系统在磁场下形成的朗道能级相关，而量子化的霍尔平台也恰发生在朗道能级填充为整数的时候，该现象被称之为整数量子霍尔效应。K. von Klitzing也因此获得1985年的诺贝尔物理学奖。

1982年，利用更为纯净的砷化镓量子阱二维电子样品，在更低的温度下，美国贝尔实验室的崔琦、H. Stormer发现了更加惊人的分数量子霍尔效应。他们发现在朗道能级填充因子为分数的时候，也出现了量子化的霍尔平台，这说明系统中出现了分数电荷激发。真空中的电子是不可能出现分数电荷的，但当大量的电子在固体材料中进行复杂的相互作用时，就可以演生出分数电荷激发，这正是凝聚态物理的迷人之处。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，具有电子关联形成的拓扑序，呈现出长程量子纠缠和分数电荷激发，一些分数量子霍尔态的准粒子激发还可能满足非阿贝尔统计，是拓扑量子计算的重要候选方案之一。分数量子霍尔效应的实验发现及理论解释也获得1998年诺贝尔物理学奖。

在整数量子霍尔效应中，量子化的霍尔电阻平台与材料细节无关，其数值仅由基本物理学常数决定，且量子化程度又极其精确。后来，以D. Thouless为代表的理论物理学家意识到，必须要利用数学中的拓扑理论才能完整的理解整数量子霍尔效应，由此开启了拓扑物理研究的时代。整数量子霍尔效应是人类发现的第一种拓扑量子物态，D. Thouless也由于凝聚态拓扑理论方面的开创性贡献获得了2016年诺贝尔物理学奖。

新材料带来新机遇

整数和分数量子霍尔效应的产生都依赖于磁场下二维电子系统形成的朗道能级结构，这需要强磁场和极低温条件，那么是否存在不需要磁场的量子霍尔效应呢？

1988年，美国理论物理学家D. Haldane在给石墨烯施加一种奇特的磁通结构，在净磁场为零情况下，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。

Haldane模型要求的磁通结构在真实材料中几乎是不可能实现的，因此量子反常霍尔效应在之后20余年的时间里面一直未能获得实验实现。直到2013年，才由我国科学家薛其坤院士领衔的实验团队在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜当中首次观察到整数量子反常霍尔效应，这一重要的研究成果也荣获了2018年国家自然科学一等奖。

基于以上研究，一个重要的科学问题产生了，那就是能否实现零磁场条件下的分数量子霍尔效应，即分数量子反常霍尔效应。2011年，先后5篇独立的理论研究从不同角度肯定了分数量子反常霍尔效应存在的可能性。但人们一直没有找到能够实现分数量子反常霍尔效应的材料系统，直到二维材料莫尔超晶格的出现才为这一问题带来新的机遇。

自然界有一类材料具有天然的层状结构，层间由相对较弱的分子间作用力范德瓦尔斯力连接，故而可以比较容易地将材料解理开，这类材料被称为二维材料。

2004年，英国科学家A. Geim和K. Novoselov首次得到单原子层的石墨烯。当把两层石墨烯放在一起并旋转一个特定角度（又称魔角），便出现新的周期性结构——莫尔超晶格。莫尔超晶格能极大地改变材料的能带结构及物理性质。因此，魔角石墨烯在零磁场下展现出许多普通石墨烯不存在的性质，这引发了利用莫尔超晶格研究二维材料新奇物性的热潮。

很快，人们发现魔角石墨烯的能带具有拓扑结构，并观测到整数量子反常霍尔效应。二维材料家族现在包括数百种性质各异的材料。2021年，美国康奈尔大学科学家和上海交通大学李听昕、姜生伟研究团队合作，基于二维半导体材料莫尔超晶格系统，实现了拓扑性质高度可调的能带结构并观测到整数量子反常霍尔效应。这为在二维材料莫尔超晶格系统中寻找分数量子反常霍尔效应奠定了基础。

观测到分数量子反常霍尔效应

近年来，基于二维材料莫尔超晶格系统，科学家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月至5月，美国华盛顿大学和康奈尔大学的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。日前，李听昕、刘晓雪和张阳合作，设计制备出新型转角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科学家完成）。

审稿人认为，该研究是突破性进展，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。