获奖的量子反常霍尔效应到底有多牛

1月8日上午，2018年度国家科学技术奖励大会隆重召开。国家自然科学奖一等奖为薛其坤院士团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”。

量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一。它是一种典型的宏观量子效应，是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现。量子霍尔效应在凝聚态物理的研究中占据着极其重要的地位。它就像一个富矿，一代又一代科学家为之着迷和献身，他们的成就也多次获得诺贝尔物理奖。然而，在量子霍尔效应家族里还有一个不需要外加磁场的量子霍尔效应——“量子反常霍尔效应”。

2013年3月14日，美国《科学》杂志在线发表了一项研究成果，中科院物理所和清华大学物理系组成的团队合作攻关，经过近4年的研究，利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应，引起了物理学界巨大反响。著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁称赞其是诺贝尔奖级的成绩。

2013年4月12日《科学》杂志在“展望”栏目刊登美国新泽西州立大学物理与天文系教授Seongshik Oh题为“完整的量子霍尔家族三重奏”的文章，对实验发现量子反常霍尔效应等进行评述。（图片来源：science）

那么，什么是量子反常霍尔效应？对它的研究为什么引起世界各国科学家的兴趣？它的发现有什么重大意义？

电子一般以无规则运动的状态存在于大自然中，因此电流在传输中会存在能量损耗的现象，而霍尔效应可以成功地约束电子的乱跑乱窜，将电子限制在一侧流动。 然而，科学家研究发现，在一种特殊的、磁性掺杂的拓扑绝缘体中，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。

上述成果里提到的拓扑绝缘体是一类神奇的物质，它长着绝缘体的心，却披着一身导体的皮。它有着优异的性能，可能会对当今的电子技术带来革命性的影响，尤其是量子反常霍尔效应的发现，使其应用前景十分诱人。

金属、绝缘体和拓扑绝缘体的关系（图片来源：中国科普博览）

科研团队首次通过理论计算预言了新型的第二代拓扑绝缘体材料体系Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3，并深入研究了他们的性质。2010年科研团队从理论上提出Cr或Fe磁性离子掺杂的拓扑绝缘体Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3等是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。2013年，他们克服了薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，制备出了高质量的拓扑绝缘体磁性薄膜，成功地观测到了量子反常霍尔效应，引起巨大轰动。

量子反常霍尔效应具有广阔的应用前景。长时间使用计算机时，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题，这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道，它们相互碰撞从而发生能量损耗。量子霍尔效应可以让电子在各自的跑道上“一往无前”地运动，但它的产生需要非常强的磁场，相当于外加10个计算机大的磁铁，这样体积庞大且价格昂贵，显然不适合个人电脑和便携式计算机。而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，即可实现电子的有序运动，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

量子反常霍尔效应可在未来解决摩尔定律的瓶颈问题，它的发现或将带来下一次信息技术革命，我国科学家为国家争夺了这场信息革命中的战略制高点。

（本文中标明来源的图片均已获得授权）