L'effetto Hall quantistico (QHE), che era precedentemente noto per i sistemi bidimensionali (2-D), era previsto che fosse possibile per i sistemi tridimensionali (3-D) da Bertrand Halperin nel 1987, ma la teoria non è stata dimostrata fino a poco tempo fa dai ricercatori della Singapore University of Technology and Design (SUTD) e dai loro collaboratori di ricerca di tutto il mondo.

L'effetto Hall, una tecnica fondamentale per la caratterizzazione dei materiali, si verifica quando un campo magnetico devia lateralmente il flusso di elettroni e provoca una caduta di tensione nella direzione trasversale. Nel 1980, i ricercatori hanno fatto un'osservazione sorprendente durante la misurazione dell'effetto Hall per un gas di elettroni bidimensionale (2-D) intrappolato in una struttura a semiconduttore:la resistività di Hall misurata ha mostrato una serie di plateau completamente piatto, quantizzati a valori con una precisione notevole di una parte su 10 miliardi. Questo divenne noto come QHE.

Da allora il QHE ha rivoluzionato la comprensione fondamentale della fisica della materia condensata, generando un vasto campo di ricerca fisica. Tanti nuovi temi emergenti, come i materiali topologici, può anche essere ricondotto ad esso.

Subito dopo la sua scoperta, i ricercatori hanno perseguito la possibilità di generalizzare il QHE dai sistemi 2-D a tre dimensioni (3-D). Bertrand Halperin predisse che un effetto così generalizzato, chiamato il 3-D QHE, è infatti possibile in un articolo fondamentale pubblicato nel 1987. Dall'analisi teorica, ha fornito le firme per il QHE 3-D e ha sottolineato che le interazioni potenziate tra gli elettroni sotto un campo magnetico possono essere la chiave per guidare un materiale metallico nello stato QHE 3-D.

Sono passati 30 anni dalla previsione di Halperin, e mentre ci sono stati continui sforzi per realizzare il QHE 3-D nell'esperimento, prove evidenti sono state sfuggenti a causa delle rigorose condizioni richieste per il QHE 3-D:il materiale deve essere molto puro, avere un'elevata mobilità, e bassa densità di portatori.

collaboratore sperimentale di SUTD, la Southern University of Science and Technology (SUSTech) in Cina, ha lavorato su un materiale unico noto come ZrTe ₅ dal 2014. Questo materiale è in grado di soddisfare le condizioni richieste ed esibire le firme di 3-D QHE.

Nel documento di ricerca pubblicato in Natura , i ricercatori mostrano che quando il materiale viene raffreddato a una temperatura molto bassa mentre è sottoposto a un campo magnetico moderato, la sua resistività longitudinale scende a zero, indicando che il materiale si trasforma da metallo a isolante. Ciò è dovuto alle interazioni elettroniche in cui gli elettroni si ridistribuiscono e formano un'onda di densità periodica lungo la direzione del campo magnetico (come illustrato nell'immagine) chiamata onda di densità di carica.

"Questo cambiamento di solito congela il movimento degli elettroni e il materiale diventa isolante, impedendo all'elettrone di fluire attraverso l'interno del materiale. Però, utilizzando questo materiale unico, gli elettroni possono muoversi attraverso le superfici, dando una resistività di Hall quantizzata dalla lunghezza d'onda dell'onda di densità di carica, " ha spiegato il co-autore professor Zhang Liyuan di SUSTech. Questo a sua volta dimostra la prima dimostrazione della lunga speculazione 3-D QHE, spingendo il celebre QHE dal 2-D al 3-D.

"Possiamo aspettarci che la scoperta di 3-D QHE porterà a nuove scoperte nella nostra conoscenza della fisica e fornirà una cornucopia di nuovi effetti fisici. Questa nuova conoscenza, in un modo o nell'altro, ci offrirà anche nuove opportunità di sviluppo tecnologico pratico, " ha detto il coautore, L'assistente professore Yang Shengyuan della SUTD.