量子反常霍尔效应

物理领域术语

在凝聚态物理领域，量子霍尔效应研究是一个非常重要的研究方向。量子反常霍尔效应不同于量子霍尔效应，它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。自1988年开始，就不断有理论物理学家提出各种方案，然而在实验上没有取得任何进展。2013年，由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。美国《科学》杂志于2013年3月14日在线发表这一研究成果。

效应简介

量子效应是在超低温等某些特殊条件下，由大量粒子组成的宏观系统呈现出的整体量子现象。根据量子理论的波粒二象性学说，微观实物粒子会像光波水波一样，具有干涉、衍射等波动特征，形成物质波。但日常所见的宏观物体，虽然是由服从这种量子力学规律的微观粒子组成，但由于其空间尺度远远大于这些微观粒子的德布罗意波长，微观粒子量子特性由于统计平均的结果而被掩盖了。因此，在通常的条件下，宏观物体整体上并不出现量子效应。然而，在温度降低或粒子密度变大等特殊条件下，宏观物体的个体组分会相干地结合起来，通过长程关联或重组进入能量较低的量子态，形成一个有机的整体，使得整个系统表现出奇特的量子性质。

量子反常霍尔效应不同于量子霍尔效应，它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

重要性

1、量子反常霍尔效应使得在零磁场的条件下应用量子霍尔效应成为可能；

2、这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊的作用，可用于制备低能耗的高速电子器件。

发展历史

1879年，美国物理学家埃德温·霍尔在实验中发现：一个通有电流的导体，若对它施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子运动的轨迹将产生偏转，而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压。这个电磁输运现象称为“霍尔效应”。后来霍尔又发现：不加外磁场亦可观察到霍尔效应。这种零磁场中的霍尔效应称为“反常霍尔效应”。

在凝聚态物理研究中，量子霍尔效应的研究一直为科学家们高度关注，此前在这方面的研究已三获诺贝尔物理学奖。1980年整数量子霍尔效应被发现，获1985年诺贝尔物理学奖；1982年分数量子霍尔效应被发现，获1998年诺贝尔物理学奖；2005年石墨烯中半整数量子霍尔效应被发现，获2010年诺贝尔物理学奖。

此外，2007年又发现量子化自旋霍尔效应，获2012年欧洲物理学奖和2012年美国物理学家巴克利奖。量子反常霍尔效应是在该领域的又一个重大进展。

重大突破

自1988年开始，就不断有理论物理学家提出各种方案，然而在实验上没有取得任何进展。2006年, 美国斯坦福大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向。2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等有多个世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应，但一直没有取得突破。

介绍

薛其坤团队经过近4年的研究，生长测量了1000多个样品。最终，他们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。

意义

由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中科院物理所和斯坦福大学研究人员联合组成的团队在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破，他们从实验中首次观测到量子反常霍尔效应，这是中国科学家从实验中独立观测到的一个重要物理现象，也是物理学领域基础研究的一项重要科学发现。

中国科学家领衔的团队首次在实验上发现量子反常霍尔效应。这一发现或将对信息技术进步产生重大影响。

在美国物理学家霍尔1880年发现反常霍尔效应133年后，终于实现了反常霍尔效应的量子化的观察，这一发现是相关领域的重大突破，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。

由于人们有可能利用量子霍尔效应发展新一代低能耗晶体管和电子学器件，这将克服电脑的发热和能量耗散问题，从而有可能推动信息技术的进步。然而，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，这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命进程。

评价

实验结果公布后，薛其坤曾应邀去日本作学术报告。作为在世界上和中国科学家研究水平最相近的“老对手”，日本科学家给他发来了邮件，称赞“这是我在过去十年里听到的最好的学术报告，我们真没有想到你们最终发现了这一美妙现象”，“这非常非常令人激动”。

另一位美国知名物理学家也向课题组发来邮件：“看到你们的结果，我真感觉有些嫉妒。但回过头想起来，这个工作巨大的难度也确实让我们叹为止。”。

美国《科学》杂志的匿名评审则给出了这样的评价：“这篇文章结束了对量子反常霍尔效应多年的探寻，这是一项里程碑式的工作。我祝贺文章作者们在拓扑绝缘体研究中作出的重大突破。”。

诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授评价其为“诺贝尔奖级的发现”。

获菲列兹·伦敦奖

日前，菲列兹·伦敦奖评奖委员会宣布，2020年度菲列兹·伦敦奖将授予中国科学院院士、清华大学副校长、北京量子信息科学研究院院长薛其坤，美国阿贡国家实验室的Vinokur博士和德国马普学会固体化学物理研究所的Steglich教授。按照评奖委员会的通知，薛其坤是因为在实验上发现量子反常霍尔效应而斩获这一崇高荣誉的。薛其坤是自1957年该奖设立以来，首个获得这一荣誉的中国科学家，第二个来自亚洲地区的科学家。

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