2020年2月27日，科技部高技术研究发展中心（基础研究管理中心）发布2019年度中国科学十大进展。我校“实现对引力诱导量子退相干模型的卫星检验”及“首次观测到三维量子霍尔效应”两项成果同时入选。
实现对引力诱导量子退相干模型的卫星检验
量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱。然而，任何试图将量子力学和广义相对论进行融合的理论工作都遇到极大困难。目前关于如何融合量子力学和引力理论的讨论，模型众多，但都普遍缺乏实验检验。
我校潘建伟院士及其同事彭承志、范靖云等与合作者，利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上率先在太空中开展了引力诱导量子纠缠退相干的实验检验，对穿越地球引力场的量子纠缠光子退相干情况进行测试。根据“事件形式”理论模型预言，纠缠光子对在地球引力场中的传播，其关联性会概率性地损失；而依据现有的量子力学理论，所有纠缠光子对将保持纠缠特性。最终，卫星实验检验结果并不支持“事件形式”理论模型的预测，而与标准量子理论一致。这是国际上首次利用量子卫星在地球引力场中对尝试融合量子力学与广义相对论的理论进行实验检验，将极大地推动相关物理学基础理论和实验研究。
检测引力致纠缠退相干现象的实验示意图
首次观测到三维量子霍尔效应
四十年前，二维电子体系中量子霍尔效应的发现，将拓扑学引入到凝聚态物理，研究至今，已成为凝聚态物理的核心研究内容之一。该效应发现不久，Bertrand Halperin等人从理论上预言可能在三维电子气体系中产生量子霍尔效应，但迄今为止，还没有从实验上观测到“三维量子霍尔效应”。
我校乔振华研究组与南方科技大学物理学系张立源研究组及新加坡科技设计大学杨声远等合作，在块体碲化锆（ZrTe5）晶体中首次实验实现了“三维量子霍尔效应”。研究人员对碲化锆体单晶进行了磁场下的低温电子输运测量，在一个相对低的磁场下达到了量子极限状态（即只有最低朗道能级被占据）。在该状态下，研究人员观测到了一个接近于零的无耗散纵向电阻，并沿着磁场方向形成了一个正比于半个费米波长的、很好的横向霍尔电阻平台，这些是三维霍尔效应出现的确凿标志。理论分析还表明，该效应源于在极端量子极限下电子关联增强产生的电荷密度波驱动的费米面失稳。通过进一步提高磁场强度，纵向电阻和霍尔电阻都急剧增加，呈现出金属-绝缘体相变。该研究进展提供了三维量子霍尔效应的实验证据，并提供了一个进一步探索三维电子体系中奇异量子相及其相变的很有前景的平台。
三维量子霍尔效应及电荷密度波示意图
由于磁场作用，体内电子在面内的运动形成朗道能级，如上方圆圈所示。在仅有一个朗道能级被占据的量子极限下，电子间的关联效应导致电荷密度波的形成，并进而使得体系转化为三维量子霍尔绝缘体。
“中国科学十大进展”由科技部基础研究管理中心举办，旨在加强对我国重大基础研究进展的宣传，激励广大科技工作者的科学热情和奉献精神，促进公众更加理解、关心和支持科学，在全社会营造良好的科学氛围。自2010年以来，我校共10项成果入选该进展，名列全国高校前茅。
（科研部）