量子反常霍尔效应学术资讯

提到霍尔效应，相信理科生都不会陌生。对于物理学专业的学生来说，霍尔效应就像好兄弟一样一直相伴左右。这种现象对2010 届的本科生尤甚。他们高中时学习霍尔效应，大二时学习整数量子霍尔效应，大三时学习分数量子霍尔效应，大四（2013 年），清华大学的薛其坤教授带领他的研究团队成功地制备出了量子反常霍尔体系材料，量子反常霍尔效应又来啦！

霍尔效应历史悠久，在其 100 多年的发展史中催生出了两个诺贝尔奖，果真是厉害呀！而作为霍尔效应家族的新成员，量子反常霍尔效应备受关注，它到底是何方神圣呢？

要了解量子反常霍尔效应，就得从霍尔效应开始说起。1879年，美国科学家霍尔在研究载流导体在磁场中的受力性质时发现：在均匀磁场B中放入一块板状金属导体，当电流垂直于磁场B方向流过导体时，在垂直于纵向电流和磁场的方向导体两侧会产生一个横向电场，这种现象便是经典霍尔效应。经典霍尔效应的霍尔电阻（霍尔电压与纵向电流的比值）是随着磁场的变化连续的。到了1980 年，冯·克利青等人发现，低温强磁场时霍尔电阻会出现量子效应，即霍尔电阻整数平台（霍尔电阻不随磁场变化的小平台）的出现。1982年崔琦与霍斯特·施特默等人发现了霍尔电阻的分数平台，这就是分数量子霍尔效应。这两个发现均获得了诺贝尔奖。量子霍尔效应是宏观量子现象，该效应下的电子输运耗能极小。不过外界强磁场这一严格条件限制了其应用。

为了克服这一限制，量子反常霍尔效应应运而生。量子反常霍尔效应不需要外界强磁场，其原因是在某些特殊材料中，材料本身的自发磁化（天赋比较好）产生出很强的内部磁场。这种材料中会出现量子霍尔现象，属于量子霍尔效应的加强版。这不仅仅是物理理论上的突破，同时也是技术上的革命，低能耗的导电材料的应用前景不言而喻。

令人欣慰的是，我国在量子反常霍尔效应研究领域处于世界领先水平。2010 年，中国科学院物理研究所的方忠、戴希理论团队与拓扑绝缘体理论的开创者之一、美国斯坦福大学的张首晟等合作，从理论上提出了实现量子反常霍尔效应的最佳体系。2013 年，薛其坤研究团队在实验中成功地制备出了磁性离子掺杂的拓扑绝缘体薄膜，即量子反常霍尔体系材料，并在没有外加磁场的情况下观察到了霍尔电压的存在。这一振奋人心的成果，被杨振宁先生称为“诺贝尔奖级的发现”。