Квантовый эффект Холла, предсказанный для трехмерных структур в конце прошлого века, 30 лет оставался недоказанным экспериментально. Ученые из Сингапура и Китая пять лет прорабатывали эксперимент, чтобы впервые продемонстрировать действие этого фундаментального физического явления.

Эффект Холла образуется, когда магнитное поле отражает поток электронов в ту или иную сторону и приводит к падению напряжения в поперечном направлении. Квантовый эффект Холла, открытый в 1980 году, стал революцией в фундаментальном понимании физики конденсированного вещества. Благодаря ему появилось множество новых отраслей знаний, в частности, топологические материалы.

Вскоре после открытия ученые начали исследовать возможности выведения КЭХ от двумерных систем к трехмерным. Американский физик Бертран Гальперин предсказал этот эффект в 1987 и указал, что ключом к приведению металлического материала в состояние трехмерного КЭХ могут быть усиленные взаимодействия между электронами под действием магнитного поля, пишет Science Daily.

На протяжении 30 лет ученые не могли получить доказательства из-за слишком высоких требований к материалу — он должен быть очень чистым, обладать высокой подвижностью и низкой плотностью носителей заряда.

Физики из Сингапурского университета технологий и дизайна вместе с коллегами из Китая с 2014 года работали над уникальным материалом ZrTe₅, который удовлетворяет требованиям эксперимента. При охлаждении до очень низкой температуры при воздействии умеренного магнитного поля продольное сопротивление падает до нуля — то есть материал превращается из металла в диэлектрик. Это происходит из-за электронных взаимодействий, когда электроны распределяются и образуют периодическую волну плотности вдоль направления магнитного поля — так называемую волну зарядовой плотности.

Обычно это изменение замораживает движение электрона и материал становится непроводящим. Однако, в случае ZrTe₅, электроны могут двигаться по поверхностям, демонстрируя квантовый эффект Холла.

«Мы ожидаем, что открытие 3D КЭХ приведет к новым прорывам в физике и станет рогом изобилия новых физических эффектов», — заявил соавтор опубликованной в Nature статьи Ян Шэнюань.