Quantum Hall -effekten (QHE), som tidigare var känt för tvådimensionella (2-D) system, förutspåddes vara möjligt för tredimensionella (3-D) system av Bertrand Halperin 1987, men teorin bevisades inte förrän nyligen av forskare från Singapore University of Technology and Design (SUTD) och deras forskningssamarbetspartners från hela världen.

Halleffekten, en grundläggande teknik för materialkaraktärisering, uppstår när ett magnetfält avböjer elektronflödet i sidled och leder till ett spänningsfall över tvärriktningen. 1980, forskare gjorde en överraskande observation när de mätte Hall-effekten för en tvådimensionell (2-D) elektrongas instängd i en halvledarstruktur - den uppmätta Hall-resistiviteten visade en serie helt plana platåer, kvantifieras till värden med en anmärkningsvärd noggrannhet på en del på 10 miljarder. Detta blev känt som QHE.

QHE har sedan revolutionerat den grundläggande förståelsen för fysik av kondenserad materia, genererar ett stort fält av fysikforskning. Många nya ämnen, såsom topologiska material, kan också spåras tillbaka till den.

Strax efter upptäckten, forskare fortsatte möjligheten att generalisera QHE från 2-D-system till tre dimensioner (3-D). Bertrand Halperin förutspådde att en sådan generaliserad effekt, kallas 3D-QHE, är verkligen möjligt i en framstående artikel publicerad 1987. Från teoretisk analys, han gav signaturer för 3-D QHE och påpekade att förbättrade interaktioner mellan elektronerna under ett magnetfält kan vara nyckeln till att driva ett metallmaterial till 3-D QHE-tillståndet.

30 år har gått sedan Halperins förutsägelse, och även om det har varit fortsatta ansträngningar för att förverkliga 3D-QHE i experiment, tydliga bevis har varit svårfångade på grund av de stränga villkor som krävs för 3-D QHE – materialet måste vara mycket rent, har hög rörlighet, och låg bärartäthet.

SUTD:s experimentella samarbetspartner, Southern University of Science and Technology (SUSTech) i Kina, har arbetat på ett unikt material som kallas ZrTe ₅ sedan 2014. Detta material kan uppfylla de nödvändiga villkoren och uppvisa signaturer av 3D-QHE.

I forskningsrapporten publicerad i Natur , forskarna visar att när materialet kyls till mycket låg temperatur under ett måttligt magnetfält, dess längsgående resistivitet sjunker till noll, indikerar att materialet förvandlas från en metall till en isolator. Detta beror på de elektroniska interaktionerna där elektronerna omfördelar sig själva och bildar en periodisk densitetsvåg längs magnetfältets riktning (som illustreras i bilden) som kallas laddningstäthetsvågen.

"Denna förändring skulle vanligtvis frysa elektronrörelsen och materialet blir isolerande, förhindrar elektronen att flöda genom det inre av materialet. Dock, använder detta unika material, elektronerna kan röra sig genom ytorna, ger en Hall-resistivitet kvantifierad av våglängden för laddningstäthetsvågen, " förklarade medförfattaren professor Zhang Liyuan från SUSTech. Detta bevisar i sin tur den första demonstrationen av den länge spekulerande 3-D QHE, skjuta den berömda QHE från 2-D till 3-D.

"Vi kan förvänta oss att upptäckten av 3-D QHE kommer att leda till nya genombrott i vår kunskap om fysik och ge ett ymnighetshorn av nya fysiska effekter. Denna nya kunskap, på ett eller annat sätt, kommer också att ge oss nya möjligheter till praktisk teknisk utveckling, sa medförfattaren, Biträdande professor Yang Shengyuan från SUTD.