量子反常霍尔效应推动信息技术新发展

对普通人来说，量子反常霍尔效应拗口而晦涩。但在物理学家眼中，它神奇又美妙。如今，量子霍尔效应在凝聚态物理中占据着极其重要的地位。

量子霍尔效应是一种在外加强磁场下由于朗道能级量子化导致的无耗散的量子输运特性。然而，外加强磁场这一需求极大地限制了该效应的实际应用前景。近几十年来，探索无磁场的量子霍尔效应，即量子反常霍尔效应，吸引了众多物理学家的关注，并在理论和实验上都取得了很大进展。

然而，量子反常霍尔效应意味着在零磁场中，霍尔电阻跳变到约25800欧姆的量子电阻值。要实现这一不可思议的量子现象，所需要的实验材料必须同时满足三项非常苛刻的条件：材料的能带结构必须具有拓扑特性，从而具有导电的一维边缘态；材料必须具有长程铁磁序，从而存在反常霍尔效应；材料的体内必须为绝缘态，从而对导电没有任何贡献。这就如同要求一个人同时具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度和体操运动员的灵巧，其难度可想而知。

面对这项世界级的实验难题，中国的科学家们敢于发起挑战。2019年1月8日，由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中国科学院物理所联合组成的实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”项目获2018年度国家自然科学奖一等奖。

其实早在2008年，薛其坤院士就率领团队就进入这一领域，经过四年研究，终于在世界范围内首次观测到量子反常霍尔效应。薛其坤团队的首次成功观测，不但证明“量子反常霍尔态”这种全新物质状态的存在，也对争论了50多年的反常霍尔效应的微观机理做了一个完美的终结。

薛其坤团队成员、清华大学物理系教授何珂介绍，霍尔效应是一个常见的效应，在磁场作用下，导体中电子会发生垂直于磁场的偏转。而反常霍尔效应却是一种在磁性材料中的霍尔效应，就是不加外磁场的量子化效应。比如说，在一个金属之中测反常霍尔效应，它不会呈量子化，但如果在一个特殊的磁性绝缘体中，测它的反常霍尔效应，就有可能发生量子化，这个取决于它的拓扑性质。

普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场，因此应用起来将非常昂贵和困难。但量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场。科学家们因此认为，量子反常霍尔效应的最美妙之处是“不需要任何外加磁场就可以实现电子的量子霍尔态”。它可以改变电子的运动轨迹，使其像在高速公路上行驶的汽车一样有序，减少了中间阻碍，降低了电子运动中的能量损耗。

何珂认为，要想获得量子反常霍尔效应的量子现象并不是1+1=2的过程，因为拓扑性质、磁性以及绝缘性相互冲突的关系，所以要找到平衡。首先要有一个拓扑绝缘体为基础，想办法在其中引入磁性。另外，还需要把它的电子掺杂浓度调控到合适的位置，让它进入到量子反常霍尔效应态。然后通过角分辨光电能谱等多种测量手段，才能测量到它的电子机构。

未来，量子反常霍尔效应作为我国物理学工作者对人类科学知识宝库的一个重要贡献，将发挥更大的作用。专家表示，这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展，它可能使人们利用量子反常霍尔效应发展低能耗的高速电子器件，实现信息技术的新发展。

中国科协科普部

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