量子反常霍爾效應世界難題被我國科學家攻克

2013年3月16日凌晨，由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學、中科院物理所和斯坦福大學的研究人員聯合組成的團隊，歷時4年完成的研究報告在《科學》雜志在線發表。這項被3名匿名評審人給予高度評價的成果，是在美國物理學家霍爾于1880年發現反常霍爾效應133年后，首次實現的反常霍爾效應的量子化，也因此被視作“世界基礎研究領域的一項重要科學發現”。

一、反常霍爾效應的前世

（一）霍爾效應

霍爾效應是美國物理學家霍爾于1879年發現的一個物理效應。在一個通有電流的導體中，如果施加一個垂直于電流方向的磁場，由于洛倫茲力的作用，電子的運動軌跡將產生偏轉，從而在垂直于電流和磁場方向的導體兩端產生電壓，這一現象就是霍爾效應。

霍爾效應在應用技術中非常重要，特別是在現代汽車上廣泛得到應用。

（二）量子霍爾效應

作為微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的完美體現，量子霍爾效應（強磁場中，縱向電壓和橫向電流的比值隨著磁場增強而出現的量子化特點）一直在凝聚態物理研究中占據著極其重要的地位。1980年左右，德國科學家馮·克利青發現了整數量子霍爾效應，獲得1985年諾貝爾物理學獎。1982年，美國物理學家崔琦和施特默等發現了分數量子霍爾效應，這個效應不久由另一位美國物理學家勞弗林給出理論解釋，他們三人榮獲1998年諾貝爾物理學獎。

量子霍爾效應在未來電子器件中發揮特殊的作用，可以用于制備低能耗的高速電子器件。例如，如果把量子霍爾效應引入計算機芯片，將會克服電腦的發熱和能量耗散問題。然而它需要的強磁場設備不但價格昂貴，而且體積龐大（衣柜大小），也不適合于個人電腦和便攜式計算機。

二、反常量子霍爾效應

1880年，霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應時發現，即使不加外磁場也可以觀測到霍爾效應，這種零磁場中的霍爾效應就是反常霍爾效應。反常霍爾效應與普通的霍爾效應在本質上完全不同，反常霍爾效應是由于材料本身的自發磁化而產生的，因此這是一個全新的量子效應，有可能是量子霍爾效應家族的最后一個重要成員。如果能在實驗上實現零磁場中的量子霍爾效應，利用其無耗散的邊緣態發展新一代的低能耗晶體管和電子學器件，從而解決電腦發熱問題和其它的一些瓶頸問題，推動信息技術的進步。但反常霍爾效應的量子化對材料性質的要求非常苛刻，美國、德國、日本等科學家未取得最后成功。

2009年，清華大學薛其坤院士帶領團隊向量子反常霍爾效應的實驗實現發起沖擊。

2010年，中科院物理所的方忠、戴希理論團隊與拓撲絕緣體理論的開創者之一、斯坦福大學的張首晟等合作，提出了實現量子反常霍爾效應的最佳體系。由清華大學的薛其坤、王亞愚、陳曦、賈金鋒研究組，與中科院物理所的馬旭村、何珂、王立莉研究組及呂力研究組組成的實驗攻關團隊合作，開始向量子反常霍爾效應的實驗發起沖擊。截止到2013年的四年中，團隊生長和測量了1000多個樣品，利用分子束外延的方法使之長出一層幾納米厚的薄膜，然后再摻進去鉻離子，生長了高質量的磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜，將其制備成輸運器件并在幾毫開的極低溫度環境下對其磁電阻和反常霍爾效應進行了精密測量。終于發現在一定的外加柵極電壓范圍內，此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應的特征值h/e2～25800歐姆，世界難題得以攻克。薛其坤院士說：這是我們團隊精誠合作、聯合攻關的共同成果，是中國科學家的集體榮譽。

三、量子反常霍爾效應的意義及發展前景

量子反常霍爾效應之所以如此重要，是因為效應可能在未來電子器件中發揮特殊作用，無需高強磁場，就可以制備低能耗的高速電子器件，例如極低能耗的芯片——這意味著計算機未來可能更新換代。

霍爾效應是諾貝爾獎的富礦。最近一次也是第三次與霍爾效應有關的諾貝爾獎是2010年的諾貝爾物理獎。2005年，英國科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，在常溫下觀察到量子霍爾效應。他們于2010年獲諾獎。石墨烯這種“超薄的碳膜”厚度只有0.335納米，是至今發現的厚度最薄和強度最高的材料。

此外，量子自旋霍爾效應于2007年被發現，2010年獲得歐洲物理獎，2012年獲得美國物理學會巴克利獎。

2013年3月16日，《科學》雜志在線發文，宣布薛其坤院士領銜的團隊在實驗上首次發現量子反常霍爾效應，而這被認為有可能是量子霍爾效應家族的最后一個重要成員。

與量子霍爾效應相關的發現之所以屢獲學術大獎，是因為霍爾效應在應用技術中特別重要。人類日常生活中常用的很多電子器件都來自霍爾效應，僅汽車上廣泛應用的霍爾器件就包括：信號傳感器、ABS系統中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負載的電流檢測及工作狀態診斷、發動機轉速及曲軸角度傳感器等。