量子霍尔效应因其非平庸的拓扑性质以及无耗散的特性，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。之前，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。近期，复旦大学修发贤教授课题组利用了基于外尔半金属表面态的新型电子轨道，成功实现了一种三维体系中的量子霍尔效应，迈出了从二维到三维的关键一步，发现了三维量子霍尔效应的电子回旋轨道并提供了新的电子输运机理。
研究人员创新性地利用楔形样品实现可控的厚度变化，发现回旋轨道能量能直接受到样品厚度的调控，与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，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。这种外尔轨道里特有的隧穿过程提供了一个通过厚度调控电子态相位和能量的机制，使得这种新型三维量子霍尔效应具有更丰富的研究前景。
本工作得到了国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项项目（2017YFA0303302和 2018YFA0305601）的支持。
