2019年1月8日上午，“2018年度國家科學技術獎勵大會(hui) ”隆重召開。中國科學院院士、清華大學副校長薛其坤教授領導的清華大學、中科院物理研究所實驗團隊完成的“量子反常霍爾效應的實驗發現”項目，獲得本年度國家自然科學獎項中唯一的一等獎。這項發表於(yu) 2013年的研究工作，被稱為(wei) 誕生在我國本土實驗室的諾獎級重大成果。 

　　量子反常霍爾效應，對普通人來說，拗口又晦澀。但在物理學家眼中，它“神奇”又“美妙”。因為(wei) 這一效應的發現可能帶來下一次信息技術變革。采用這種技術設計的集成電路和元器件，千億(yi) 次的超級計算機有望做成平板電腦那麽(me) 大，智能手機的內(nei) 存可能會(hui) 提高上千倍。 

　　那麽(me) ，量子反常霍爾效應到底是一種怎樣的物理現象，它的發現為(wei) 何能引起如此巨大的反響呢？ 

　　在了解量子反常霍爾效應之前，我們(men) 還是要先從(cong) 經典電磁學中的霍爾效應開始說起。 

　　140年前，也就是1879年，美國物理學家霍爾在研究金屬的導電機製時，發現了霍爾效應。現在這一經典效應，早已經成為(wei) 高中物理課本中的重要內(nei) 容。 

　　我們(men) 先來簡單回顧一下，課堂上學過的星空体育官网入口网站。 

　　霍爾效應是指，當通過導體(ti) 的電流與(yu) 外磁場垂直的時候，導體(ti) 內(nei) 的自由電子發生偏轉，垂直於(yu) 電流和磁場的方向會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 附加電場，從(cong) 而在導體(ti) 的兩(liang) 端產(chan) 生電勢差，也就是電壓，這一現象就是霍爾效應，這個(ge) 電壓也被稱為(wei) 霍爾電壓。 

　　140年的時間裏，霍爾效應在電力電子，特別是傳(chuan) 感器等領域獲得了廣泛的應用。現代汽車上，比如汽車速度表及裏程表、各種用電負載的電流檢測及工作狀態診斷、發動機轉速、曲軸角度傳(chuan) 感器、抗幹擾開關(guan) 等等，都是應用霍爾效應原理製成的霍爾器件。 

　　霍爾效應的概念本身還算容易理解，但是，當它與(yu) 量子理論結合時又會(hui) 擦出怎樣的火花呢？ 

　　我們(men) 知道，當物理學研究對象本身的維度進入到微觀領域時，與(yu) 我們(men) 在宏觀世界中的日常經驗完全迥異的量子理論，就將掌控各種物理規律。這個(ge) 時候，若幹物理量的連續變化將呈現為(wei) 間斷性變化，體(ti) 現出量子特征。例如，宏觀世界的蘋果，有大有小，蘋果的大小可以連續變化。而微觀世界中的蘋果，大小就不是連續變化的了，而是相當於(yu) 某個(ge) 基礎蘋果尺寸的整數倍，不存在其它尺寸的微觀蘋果。 

　　用這個(ge) 聽起來不太確切的例子，想要說明的是，在量子力學的世界中，很多物理量都是某一基礎值的整數倍。 

　　我們(men) 再回過頭來繼續剛才說到的量子理論與(yu) 霍爾效應相結合的話題。高中物理星空体育官网入口网站告訴我們(men) ，在無限大均勻平麵磁場中，以垂直磁感線方向入射的初速不為(wei) 零的電子，將做勻速圓周運動。而在經典的霍爾效應導體(ti) 中，自由電子雖然會(hui) 在磁場作用下發生偏轉，但由於(yu) 偏轉半徑很大，尚未完成圓周運動就會(hui) 堆積在導體(ti) 一側(ce) 。 

　　想讓自由電子在導體(ti) 內(nei) 部完成圓周運動，還需要一個(ge) 特定的環境：首先要在足夠低的溫度中，再有一個(ge) 非常強的外加磁場，在這樣的環境下電子的偏轉半徑就會(hui) 明顯減小，從(cong) 而可能在導體(ti) 內(nei) 部完成圓周運動。 

　　這時的導體(ti) 內(nei) 部，仿佛存在無數個(ge) 高速轉動的“陀螺”。當外加磁場繼續增大，電子的回旋半徑會(hui) 進一步縮小，當它小到與(yu) 電子本身近似的微觀水平時，量子效應就產(chan) 生了。發生量子霍爾效應時，導體(ti) 內(nei) 部電子在原地進行圓周運動，而導體(ti) 邊緣電子就會(hui) 形成導電通路。 

　　量子霍爾效應具有多種神奇而充滿魅力的特點，但是它的產(chan) 生，需要依賴強大的外加磁場條件，所以缺乏實用性。試想一下，如果開發一枚具備量子霍爾效應的超導芯片，雖然它本身具有低發熱、高速度等有益特點，但想要維持運轉，可能要配備上一台冰箱一樣大小的強磁場發生器，這是我們(men) 無法接受的。 

　　如果找到一種材料，可以不依賴強磁場就能產(chan) 生量子霍爾效應，那豈不是事半功倍了嘛。沒錯，這種材料就是大名鼎鼎的拓撲絕緣體(ti) 。 

　　自從(cong) 2007年麵世後，拓撲絕緣體(ti) 在全世界吸引了堪比石墨烯材料的關(guan) 注度。薛其坤教授和他的團隊，正是受這種材料的啟發，把拓撲絕緣體(ti) 和鐵磁性材料有機結合，實現了低溫下無需外加強磁場就能觀測到的量子霍爾效應。為(wei) 了體(ti) 現區別，這種新的現象被稱為(wei) 量子反常霍爾效應。 

　　這一新發現，來自薛其坤研究團隊的一次偶然嚐試。 

　　量子反常霍爾效應的實現，有一個(ge) 特別鮮明的標誌。那就是，在零磁場下，當霍爾電阻跳變到大約25813歐姆的量子電阻基準時，這種量子現象才被稱為(wei) 量子反常霍爾效應。 

　　在以往的實驗中，薛其坤研究團隊擔心幾納米厚的拓撲絕緣體(ti) 材料，很容易破損，所以會(hui) 設置一個(ge) 襯底和一個(ge) 保護層，並且不斷優(you) 化。團隊成員馮(feng) 硝說道：“優(you) 化完襯底後就有一個(ge) 明顯提升，但後來又到了平台期。感覺無路可走時，決(jue) 定反其道而行之，看看去除材料保護層會(hui) 怎樣，沒想到這樣反而獲得了顯示量子反常霍爾效應跡象的樣品。” 

　　2012年10月份，一個(ge) 周五的晚上，團隊成員郭明華給大家工作郵箱裏發送了剛剛測量好的數據。這個(ge) 樣品的霍爾電阻達到了17000歐姆附近，而縱向電阻出現了小小的下降。這小小的下降很有可能就是量子反常霍爾效應邊緣態的貢獻。團隊成員注意到這一點之後，向薛其坤教授匯報了情況。 

　　之所以說隻是跡象，是因為(wei) 當時的實驗結果並未達到25813歐姆的標準。但這對實驗來說已經是一個(ge) 重大突破，之前從(cong) 來沒有過類似的發現。薛其坤教授形容自己當時的情緒是既興(xing) 奮又擔心，他說：“全世界很多頂尖實驗室都在攻克這個(ge) 實驗，我們(men) 不知道誰在做，也不知道他們(men) 什麽(me) 時候能做出來，這些年大家的努力奮鬥一定會(hui) 有回報，天道酬勤。” 

　　在接下來的一個(ge) 半月時間裏，研究團隊在緊張焦灼中共同奮戰，進一步提高樣品質量，並與(yu) 中科院物理所呂力研究組通力合作，對樣品進行了30毫開溫度下的極低溫輸運測量，終於(yu) 在2012年12月6日，觀測到了完美的量子化平台——量子反常霍爾效應被發現了。 

　　在薛其坤教授看來，科學家的研究是為(wei) 了建立原理和方法，為(wei) 了以後研究更加成熟，為(wei) 了和產(chan) 業(ye) 工業(ye) 結合。所以，如何降低量子反常霍爾效應實現的苛刻條件要求，成為(wei) 研究團隊正在攀登的山峰。 

　　幾年來，這支隊伍一路攀登，一路收獲。2015年，團隊實現量子反常霍爾效應零電導平台的首次觀測；2014、2015年和2017年，團隊在磁性摻雜拓撲絕緣體(ti) 的磁性和輸運性質的調控方麵取得多次突破……2018年，團隊又實現兩(liang) 個(ge) 重要進展，一是，大幅提高了量子反常霍爾效應觀測溫度；二是，首次實現量子反常霍爾效應多層結構。團隊成員何珂介紹說，目前實現量子反常霍爾效應的溫度極低，這不僅(jin) 阻礙了進一步研究，也給實際應用帶來挑戰。原來的溫度是比絕對零度高0.03度，現在是比絕對零度高0.3度，溫度提高了10倍。而量子反常霍爾效應多層結構是指，把實現量子反常霍爾效應的一層薄膜，像搭磚塊兒(er) 一樣‘壘砌’起來。這就像以前隻有一條電子運行的高速公路，現在要建設立交橋，進一步增強材料的導電能力。 

　　這個(ge) 聽起來不太明顯的變動，其實在實驗上有相當大的難度。實現一個(ge) 量子反常霍爾效應層已經非常困難了，要想形成一個(ge) 多層結構，同時各層之間還能不受彼此幹擾地正常運轉就難上加難。不過，這也為(wei) 探索更多新奇的拓撲量子物態，打下了一個(ge) 非常好的基礎。 

　　如今，研究團隊每天仍然花費大量的時間在實驗室中，不斷去生長樣品、測試，他們(men) 都期待能夠發現更多有趣的量子物態和量子效應。 

　　140年前的物理學家霍爾，無法回答經典霍爾效應能做什麽(me) 。但今天，經典霍爾效應已經融入了我們(men) 日常生活中，廣泛應用於(yu) 汽車、家電、手機等行業(ye) 。量子霍爾效應也提供了一種超高性能電子器件的可能實現的途徑。而我國科學家率先發現的量子反常霍爾效應，又進一步擺脫了強磁場的桎梏，有條件實現器件的小型化。或許在不久的未來，會(hui) 看到更多的實際應用場景，讓我們(men) 拭目以待。



關(guan) 注【深圳科普】微信公眾(zhong) 號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書(shu) 籍】，了解最新科普書(shu) 籍
回複【團體(ti) 定製】，了解最新團體(ti) 定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習(xi) 觀鳥相關(guan) 科普星空体育官网入口网站