量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一，迄今已有4个诺贝尔奖与其直接相关。但100多年来，科学家们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系，从未涉足三维领域。修发贤课题组近日在该领域实现突破，在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据，迈出了从二维到三维的关键一步。12月18日，相关研究成果在线发表于《自然》。
早在130多年前，美国物理学家霍尔就发现，对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场，电子的运动轨迹将发生偏转，在导体的纵向方向产生电压，这个电磁现象就是“霍尔效应”。如果将电子限制在二维平面内，在强大的磁场作用下，电子的运动可以在导体边缘做一维运动，变得“讲规则”“守秩序”。但以往的实验证明，量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。
6年前，修发贤加入复旦大学物理学系。
2014年，在拓扑半金属领域，他选择了材料体系非常好的砷化镉“试着研究一下”，谁料“一发不可收拾”。从大块的体材料，到大片的薄膜，再到纳米类结构和纳米单晶，他带着学生们孜孜不倦地深耕于此，乐此不疲。2016年10月，修发贤及其团队第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到量子霍尔效应时，就像目睹汽车飞到空中那样又惊又喜。很快，他们的这一发现发表在《自然—通讯》上。
随后，在样品制备过程中借鉴修发贤团队前期已发表的经验，日本和美国也有科学家在同样的体系中观测到了这一效应。但遗憾的是，基于当时的实验结果，实际的电子运动机制并不明确。
研究人员决定“打破砂锅问到底”。实验材料虽小，灵感却可以从日常生活而来。修发贤课题组想了一个办法，他们创新性地利用楔形样品实现可控的厚度变化。通过测量量子霍尔平台出现的磁场，可以用公式推算出量子霍尔台阶。
实验发现，电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响。这说明，随着样品厚度的变化，电子的运动时间也在变。所以，电子在做与样品厚度相关的纵向运动，其隧穿行为被证明了。至此，三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开了。