图. 基于外尔轨道的三维量子霍尔效应示意图
在国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（项目编号：61322407）等资助下，复旦大学修发贤教授团队利用锲形拓扑半金属砷化镉纳米片，在低温强磁场实验条件下，通过对不同厚度朗道能级的研究，观测到基于外尔轨道的新型三维量子霍尔效应。研究成果以“Quantum Hall Effect Based on Weyl Orbits in Cd3As2”（砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应）为题，于2018年12月17日在Nature（《自然》）上在线发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0798-3。
量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域的最重要的科学发现之一，在拓扑量子计算以及低功耗电子器件方面有着潜在的应用价值。迄今，已有四个诺贝尔奖（1985，1998，2010和2016年）与其直接相关，但相关研究仍停留在二维体系。
修发贤教授团队长期致力于拓扑狄拉克材料的生长、量子调控以及新型二维原子晶体的器件研究。2017年，该团队在高质量的砷化镉纳米片中第一次观测到该体系中的量子霍尔效应，但该效应的三维特性仍缺乏直接的实验证据。为了进一步研究量子霍尔效应的来源，他们利用楔形的砷化镉纳米片样品实现可控的厚度变化，使外尔轨道在不同厚度区域发生隧穿所需的时间不同，从而导致对应轨道状态发生变化。通过测量对应的量子霍尔电阻，实验发现回旋轨道能量直接受到样品厚度的调控，和常规的基于二维表面态的量子霍尔效应完全不同。同时，改变磁场方向，发现轨道能量也受到磁场和晶向的相对位置的影响，打破了二维体系应该具有的镜面对称性。基于这两个重要证据，实验证明了砷化镉纳米结构中的量子霍尔效应来源于三维的外尔轨道。这是国内外学者首次在实验上观测到基于新型电子回旋轨道的三维量子霍尔效应。这一发现为未来三维空间电子的量子化传输提供了新的思路和实验基础。