凝聚態物理領域的量子霍爾效應的相關研究曾經三獲諾獎，一次是二維電子系統中量子霍爾效應的發現，另一次是分數量子霍爾效應的發現。但是這兩次發現都是在強磁場情況下產生的現象，還有一次則是與量子霍爾效應相關的理論發現。近日，上海交通大學李聽昕、劉曉雪團隊發現并驗證零磁場條件下分數量子反常霍爾效應的存在的成果發表在物理學研究領域的著名期刊《物理學評論X》上，并被重點推薦。
這一成果在該領域內實現了突破性的進展，而且團隊通過原創的新型器件的制備方法為后續的一系列研究鋪平了道路。該研究開啟了零磁場條件下研究分數電荷激發、任意子統計等新奇物性的大門，為拓撲量子計算等研究提供了新的可能與機遇。
9月28日下午，上海交通大學李聽昕、劉曉雪團隊“分數量子反常霍爾效應”成果新聞發布會在李政道研究所召開。中國科學院院士、南方科技大學校長薛其坤，中國科學院院士、北京大學教授謝心澄，中國科學院院士、中國科學技術大學教授封東來，中國科學院院士、李政道研究所所長、上海交通大學原校長張杰，上海交通大學黨委常委、副校長奚立峰，中國科學院院士、物理與天文學院副院長賈金鋒，物理與天文學院副教授李聽昕，李政道研究所李政道學者劉曉雪等參加了本次發布會。發布會由校黨委常委、宣傳部部長胡昊主持。
成果科普介紹
霍爾效應的前世今生
美國科學家霍爾（Edwin Hall）在1879年研究金屬的導電機制時發現，給一塊導體施加電流和一個垂直于電流方向的磁場，產生了“霍爾電壓”，該效應被稱為霍爾效應。根據霍爾效應原理制成的霍爾傳感器，在速度傳感等方面至今應用廣泛。
1980年初，德國物理學家K. von Klitzing在研究二維電子系統的霍爾電阻時，發現極低溫和強磁場的極端條件下，樣品的霍爾電阻出現了一系列量子化的平臺，并且縱向電阻會相應呈現出零電阻態。這一現象被稱之為整數量子霍爾效應。
后來，理論物理學家意識到，必須要利用數學中的拓撲理論，將拓撲的概念引入物理研究，才能完整理解整數量子霍爾效應，由此開啟了拓撲物理研究時代。整數量子霍爾效應，也成為人類發現的第一種拓撲量子物態。
通常，真空中的電子總是帶整數的電荷數，不可能出現帶分數的電荷；而交大物理與天文學院副教授李聽昕打比方說，在后來驚人發現的分數量子霍爾效應中，一個電子就好像可以分裂成三份，每一份都帶1/3電荷。可以說，分數量子霍爾效應是本質上不同于整數量子霍爾效應的強關聯量子物態，是一種奇異的量子流體，成為拓撲量子計算的重要候選方案之一。
然而，有正常效應，就可能有反常效應。美國理論物理學家D. Haldane在1988年計算得出：可以出現零磁場下的整數量子霍爾效應，后來被稱作：量子反常霍爾效應。這一理論工作也是他榮獲2016年諾貝爾物理學獎的代表性工作之一。至此，量子霍爾效應先后獲得了3次諾獎。
圖：兩層MoTe2轉角形成的莫爾超晶格結構示意圖，其中紅色原子代表Mo，藍色原子代表Te. 三種高對稱性堆垛方式在圖中用不同顏色圓圈表示
轉角MoTe2中分數量子
反常霍爾效應的直接觀測
近年來，基于二維材料莫爾超晶格系統，國際國內的研究者們在有關分數量子反常霍爾效應的理論和實驗研究方面開展了大量探索，最終將目光聚焦到轉角MoTe2體系。今年4-5月，美國華盛頓大學Xiaodong Xu研究團隊和美國康奈爾大學Kin Fai Mak，Jie Shan研究團隊分別獨立地報道了轉角MoTe2中存在有分數量子反常霍爾態的跡象。但光學測量手段一般難以給出分數量子反常霍爾效應存在的直接確鑿證據。
左圖：實驗測得的轉角MoTe2中分數量子反常霍爾效應的霍爾電阻隨磁場的變化；
右圖：零磁場極限下霍爾電導隨莫爾超晶格填充因子的變化，可見清晰的整數（e^2/h）與分數(2e^2/3h)量子化霍爾電導平臺。
最近，上海交通大學李聽昕、劉曉雪團隊（實驗）與美國田納西大學張陽團隊（理論）合作，在分數量子反常霍爾效應研究方面取得了突破性進展。他們設計制備了新型轉角MoTe2莫爾超晶格器件，通過開展電學輸運實驗，直接觀測到分數量子反常霍爾效應存在的確鑿證據，該工作是國際上同期兩個獨立實驗工作之一（另一實驗工作由美國華盛頓大學Xiaodong Xu研究團隊完成）。
該工作得到了審稿人的高度評價，被認為是領域內的突破性進展，且原創的新型器件制備方法為后續一系列圍繞分數量子反常霍爾效應的研究鋪平了道路。該研究開啟了零磁場條件下研究分數電荷激發、任意子統計等新奇物性的大門，為拓撲量子計算等研究提供了新的可能和機遇。論文發表在Physical Review X 13, 031037 (2023)上，并被編輯以Featured in Physics 形式重點推薦；Nature出版的“news & views”評論文章認為兩項研究工作為分數量子反常霍爾效應提供了確定性的證據（smoking-gun signature）。
本工作獲得了科技部、基金委、上海市科委等項目的資助。極低溫測量部分在中科院綜合極端條件實驗裝置完成，本論文的合作者還包括上海交通大學物理與天文學院賈金鋒院士、姜生偉副教授和史志文教授。