量子霍爾效應因其非平庸的拓撲性質以及無耗散的特性，在拓撲量子計算以及低功耗電子器件方面有著潛在的應用價值。之前，科學家們對量子霍爾效應的研究仍停留於二維體系，從未涉足三維領域。近期，復旦大學修發賢教授課題組利用了基於外爾半金屬表面態的新型電子軌道，成功實現了一種三維體系中的量子霍爾效應，邁出了從二維到三維的關鍵一步，發現了三維量子霍爾效應的電子迴旋軌道並提供了新的電子輸運機理。
研究人員創新性地利用楔形樣品實現可控的厚度變化，發現迴旋軌道能量能直接受到樣品厚度的調控，與常規的基於二維表面態的量子霍爾效應完全不同。同時，改變磁場方向，發現軌道能量也受到磁場和晶向的相對位置的影響，打破了二維體系應該具有的鏡面對稱性。基於這兩個重要證據，證明了砷化鎘納米結構中的量子霍爾效應來源於三維的外爾軌道。這種外爾軌道里特有的隧穿過程提供了一個通過厚度調控電子態相位和能量的機制，使得這種新型三維量子霍爾效應具有更豐富的研究前景。
本工作得到了國家重點研發計劃“量子調控與量子信息”重點專項項目（2017YFA0303302和 2018YFA0305601）的支持。
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