Het kwantum Hall-effect (QHE), die voorheen bekend was voor tweedimensionale (2-D) systemen, werd voorspeld mogelijk te zijn voor driedimensionale (3D) systemen door Bertrand Halperin in 1987, maar de theorie werd pas onlangs bewezen door onderzoekers van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) en hun onderzoeksmedewerkers van over de hele wereld.

Het Hall-effect, een fundamentele techniek voor materiaalkarakterisering, treedt op wanneer een magnetisch veld de stroom van elektronen zijwaarts afbuigt en leidt tot een spanningsval over de dwarsrichting. 1980, onderzoekers maakten een verrassende observatie bij het meten van het Hall-effect voor een tweedimensionaal (2-D) elektronengas gevangen in een halfgeleiderstructuur - de gemeten Hall-weerstand toonde een reeks volledig vlakke plateaus, gekwantificeerd tot waarden met een opmerkelijke nauwkeurigheid van één deel op 10 miljard. Dit werd bekend als de QHE.

QHE heeft sindsdien een revolutie teweeggebracht in het fundamentele begrip van de fysica van de gecondenseerde materie, het genereren van een enorm veld van natuurkundig onderzoek. Veel nieuwe opkomende onderwerpen, zoals topologische materialen, kan er ook naar worden herleid.

Kort na zijn ontdekking, onderzoekers streefden naar de mogelijkheid om QHE te generaliseren van 2D-systemen naar drie dimensies (3-D). Bertrand Halperin voorspelde dat een dergelijk algemeen effect, genaamd de 3D QHE, is inderdaad mogelijk in een baanbrekend artikel dat in 1987 werd gepubliceerd. hij gaf handtekeningen voor 3D QHE en wees erop dat verbeterde interacties tussen de elektronen onder een magnetisch veld de sleutel kunnen zijn om een ​​metaalmateriaal in de 3D QHE-staat te drijven.

30 jaar zijn verstreken sinds Halperins voorspelling, en hoewel er voortdurende inspanningen zijn geweest om 3D QHE in experiment te realiseren, duidelijk bewijs was ongrijpbaar vanwege de strikte voorwaarden die vereist zijn voor 3D QHE - het materiaal moet zeer zuiver zijn, een hoge mobiliteit hebben, en lage dragerdichtheid.

SUTD's experimentele medewerker, de Southern University of Science and Technology (SUSTech) in China, heeft gewerkt aan een uniek materiaal dat bekend staat als ZrTe ₅ sinds 2014. Dit materiaal is in staat om aan de vereiste voorwaarden te voldoen en de handtekeningen van 3D QHE te vertonen.

In de onderzoekspaper gepubliceerd in Natuur , de onderzoekers laten zien dat wanneer het materiaal wordt afgekoeld tot een zeer lage temperatuur terwijl het zich onder een matig magnetisch veld bevindt, de longitudinale soortelijke weerstand daalt tot nul, wat aangeeft dat het materiaal transformeert van een metaal naar een isolator. Dit komt door de elektronische interacties waarbij de elektronen zichzelf herverdelen en een periodieke dichtheidsgolf vormen langs de magnetische veldrichting (zoals geïllustreerd in de afbeelding) die de ladingsdichtheidsgolf wordt genoemd.

"Deze verandering zou normaal gesproken de elektronenbeweging bevriezen en het materiaal wordt isolerend, waardoor het elektron niet door het inwendige van het materiaal kan stromen. Echter, met behulp van dit unieke materiaal, de elektronen kunnen door de oppervlakken bewegen, het geven van een Hall-weerstand gekwantificeerd door de golflengte van de ladingsdichtheidsgolf, ", legde co-auteur professor Zhang Liyuan van SUSTech uit. Dit bewijst op zijn beurt de eerste demonstratie van de lang speculerende 3D QHE, de gevierde QHE van 2D naar 3D te duwen.

"We kunnen verwachten dat de ontdekking van 3D QHE zal leiden tot nieuwe doorbraken in onze kennis van de natuurkunde en een overvloed aan nieuwe fysieke effecten zal opleveren. Deze nieuwe kennis, op de een of andere manier, zal ons ook nieuwe kansen bieden voor praktische technologische ontwikkeling, " zei co-auteur, Universitair docent Yang Shengyuan van SUTD.