量子反常霍爾效應

武晨

4月10日，清華大學召開新聞發布會，宣布由薛其坤院士領銜的中國團隊首次在實驗中實現量子反常霍爾效應，該物理效應從理論研究到實驗觀測的全過程，都由我國科學家獨立完成。該成果已經于北京時間3月15日凌晨在《科學》雜志在線（Science Express）發表。楊振寧教授稱這是諾貝爾物理獎級別的成果。

1879年美國物理學家霍爾在一個長方形的導體上發現，當電流在長度方向流動的時候，如果在導體垂直方向發現一個磁場，就會在寬度方向產生一個新的電流和電壓，這個就是霍爾效應。

多年來，量子霍爾效應是整個凝聚態物理領域最重要、最基本的量子效應之一。這是一種典型的宏觀量子效應，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個完美體現。1980年，德國科學家馮·克利青（Klaus Von Klitzing）發現了“整數量子霍爾效應”，于1985年獲得諾貝爾物理學獎。1982年，美籍華裔物理學家崔琦（Daniel Chee Tsui）、美國物理學家施特默（Horst L. Stormer）等發現“分數量子霍爾效應”，不久由美國物理學家勞弗林（Rober B. Laughlin）給出理論解釋，三人共同獲得1998年諾貝爾物理學獎。在量子霍爾效應家族里，至此仍未被發現的效應是“量子反常霍爾效應”——不需要外加磁場的量子霍爾效應。

“量子反常霍爾效應”，即在磁性材料中不外加磁場而產生電流，是多年來該領域的一個非常困難的重大挑戰，其關鍵在于新性質材料的制備，這使得它的實現更加困難，需要精準的材料設計、制備與調控。1988年，美國物理學家霍爾丹（F. Duncan M. Haldane）提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，但是多年來一直未能找到能實現這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。……