南方科技大学物理系教授张立源实验团队联合其他理论团队，通过巧妙的设计，突破重重难关，首次实验证实了三维量子霍尔效应的存在，相关研究成果于2019年发表在国际权威期刊《自然》。该项成果“三维量子霍尔效应的实验发现”此次获得2022年度广东省自然科学奖一等奖。

“经过四五年的挥洒汗水和辛勤付出，潜心研究终结硕果，整个团队的努力以及多方的合作起到了不可或缺的作用。” 张立源得知获奖消息后非常高兴，他说，三维量子霍尔效应的研究过程可谓十分“硬核”，取得成果十分不易。

据介绍，将一块金属或半导体置于一个磁场内，然后通电流，通常在垂直于磁场和电流的方向会产生电压差，这就是许多人了解的霍尔效应。1980年，德国科学家首次在二维体系里发现了量子霍尔效应。1987年，物理学家从理论上预言了三维量子霍尔效应的存在和它的测量特征，30多年来，世界各地的研究团队开展了多种尝试，试图从实验上观测三维体系内的量子霍尔效应，但一直未获得成功。

近40年来，针对二维体系的量子霍尔效应的研究就出现了四次诺贝尔奖的重要成果，但研究过程中，张立源留意到了三维电子气这一相对“冷门”的研究方向。

“基础研究没有捷径可走，如果大家都来追热点，那么基础研究的整体发展势必不均衡且无法实现关键的突破”，不惧“跨界”的张立源果断地决定调整目标，不再去挤二维材料体系这个热门且充满激烈竞争的研究领域，而是转向三维电子气体系这一相对“冷门”和传统的研究方向。

“要实现三维量子霍尔效应，就需要达到所谓的极端量子极限条件，这是当前的实验条件一般无法提供的。因此，三维量子霍尔效应方向的研究一度处于几乎停顿的状态。”张立源说，为了满足苛刻的条件，他们团队巧妙地选用了高品质的五碲化锆（ZrTe5）晶体作为研究对象。

张立源敏锐地认为，高质量晶体是试验成功的关键。为了得到高迁移率的单晶，张立源与其他科研团队合作，改进和不断优化晶体生长方法，使得ZrTe5单晶的迁移率提高了10倍多。“只有样品足够纯净、质量足够高，才能得到好的输运性质，而这，也正是我们课题组最终测出三维量子霍尔效应现象的前提。”团队利用其所低载流子浓度，超高迁移率的特点，使体系能够在现有实验条件允许的磁场环境下进入极端量子极限态。

张立源说，未来他将在三维体系里继续探索，聚焦在丢番图方程的量子拓扑及关联物态方面，相关研究有望应用到量子信息传输和拓扑量子计算领域。虽然基础研究投入高、回报慢，有时十年、几十年甚至更久才可能“有用”。但他相信，只要不懈努力，终会在科研的道路上采摘最甜美的“果实”，将科研成果造福社会。

（受访者供图）

（原标题《南科大张立源：在“冷门”研究中采摘最甜美的“果实”》）

编辑 黄力雯 审读 刘春生 二审 钟诗婷 三审 王越胜