三维量子霍尔效应获得实验验证

卢海舟和谢心澄课题组在拓扑半金属中利用费米弧和“虫洞隧穿”构成的Weyl轨道，提出了一种新的三维量子霍尔效应机制。拓扑半金属是拓扑物相的新成员，具有拓扑保护的表面态，被称作费米弧 (如图4所示)。费米弧是拓扑半金属拓扑保护的表面态的费米面。在拓扑Weyl半金属中，有4个面可以有拓扑保护的表面态。由于拓扑约束的原因，每个面的表面态只是半个二维电子气。相对的上下表面的费米弧电子气可以通过Weyl点连接起来，组成一个完整的二维电子气，这是非常奇异的物相。

既然费米弧也是一种二维电子气，它们是否可以有量子霍尔效应？要研究这个问题，首先要明白什么是形成量子霍尔效应的关键，那就是电子的回旋运动 (如图3左图所示)。电子回旋运动的量子力学描述等价于谐振子，因此会形成等间距的朗道能级。朗道能级在边界发生能量畸变，才会有边界态提供无耗散的电子输运和量子霍尔化电导，即量子霍尔效应。

目前，已经有多个拓扑半金属实验观察到霍尔电阻的量子化平台。这种新奇的三维量子霍尔效应的研究才刚刚开始。直接观测到如图8所示的奇异边界态分布将是未来的一个挑战方向。