量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一，但100多年來，科學家們對量子霍爾效應的研究仍停留于二維體系。
為實現這一領域的突破，復旦大學物理學系修發賢帶領其課題組在拓撲半金屬砷化鎘納米片中觀測到了由外爾軌道形成的新型三維量子霍爾效應的直接證據，邁出了從二維到三維的關鍵一步。相關研究成果于北京時間12月18日零時在線發表于《自然》主刊。
早在130多年前，美國物理學家霍爾就發現，對通電的導體加上垂直于電流方向的磁場，電子的運動軌跡將發生偏轉，在導體的縱向方向產生電壓，這個電磁現象就是“霍爾效應”。但以往的實驗證明，量子霍爾效應只會在二維或者準二維體系中發生。三維體系中存在量子霍爾效應嗎？如果有，電子的運動機制是什么？
為解答這一問題，修發賢團隊在一種特殊的材料體系中，也就是拓撲狄拉克半金屬砷化鎘材料里，觀測到三維量子霍爾效應。該效應與傳統的二維量子霍爾不同，存在特殊的電子軌道，稱為外爾軌道，電子可以從上表面穿越到下表面，然后再回到上表面。
修發賢表示，課題的難點在于材料的制備和器件的測量。首先對材料的要求非常高，必須能夠精確控制厚度，必須有很高的遷移率。課題組從2014年開始生長這個材料，目前可以達到厚度的可控性（50—100納米），遷移率達到10萬。第二個難點在于，測量必須在極端條件下進行：低溫和強磁場。溫度在幾十毫K（也就是零下270多攝氏度），強磁場在30多特斯拉（地磁場的百萬倍）。
“我們的這個研究屬于自由探索型的基礎研究，在凝聚態物理方面，我們發現了三維量子霍爾效應，可以為今后的進一步科研探索提供一定的實驗基礎。”修發賢說。（記者王春）