霍尔效应诺贝尔奖
1985年诺贝尔物理学奖——量子霍耳效应
1985年诺贝尔物理学奖——量子霍耳效应1985年诺贝尔物理学奖授予德国斯图加特固体研究马克斯·普朗克研究所的冯·克利青（Klaus von Klitzing，1943-）,以表彰他发现了量子霍耳效应。
霍耳效应是1879年美国物理学家霍耳（Edwin Hall）研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。
他在长方形导体薄片上通以电流，沿电流的垂直方向加磁场，发现在与电流和磁场两者垂直的两侧面产生了电势差。
后来这个效应广泛应用于半导体研究。
一百年过去了。
1980年一种新的霍耳效应又被发现。
这就是德国物理学家冯·克利青从金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）发现的量子霍耳效应。
他在硅MOSFET管上加两个电极，把MOSFET管放到强磁场和深低温下，证明霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现一系列平台，与平台相应的霍耳电阻等于R＝h/i·e2，其中i是正整数1，2，3，……，H这一发现是20世纪以来凝聚态物理学、各门新技术（包括低温、超导、真空、半导体工艺、强磁场等）综合发展以及冯·克利青创造性的研究工作所取得的重要成果。
从50年代起，由于晶体管工业的兴盛，半导体表面研究成了热门课题，半导体物理学中兴起了一个崭新领域——二维电子系统。
1957年，施里弗（J.R.Schrieffer）提出反型层理论，认为如果与半导体表面垂直的电场足够强，就可以在表面附近出现与体内导电类型相反的反型层。
由于反型层中的电子被限制在很窄的势阱里，与表面垂直的电子运动状态应是量子化的，形成一系列独立能级，而与表面平行的电子运动不受拘束。
这就是所谓的二维电子系统。
当处于低温状态时，垂直方向的能态取最低值——基态。
覆盖硅表由于半导体工艺的发展，60年代初出现了平面型硅器件，用SiO2面制成了硅MOSFET管，为研究反型层的性能提供了理想器件。
改变MOSFET 的栅极电压可以控制反型层中的电子浓度。
【历届诺贝尔奖得主(八)】1985年物理学奖,化学奖和生理学或医学奖
1985年12月10日第八十五届诺贝尔奖颁发。
物理学奖德国科学家冯克利津因发现量子霍尔效应获诺贝尔物理学奖。
冯·克利津（又译冯·克利青KlausvonKlitzing,1943-）因发现量子霍耳效应，获得了1985年度诺贝尔物理学奖。
因发现量子霍尔效应并开发出测定物理常数的新技术，克里津获得了１９８５年的诺贝尔物理学奖。
霍尔效应是１８７９年美国物理学家霍尔研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。
此效应广泛地用于半导体。
百年后的１９８０年，克里津从金属―氧化物半导体场效应电晶体中发现了量子霍尔效应。
人物简介诺贝尔物理学奖获得者克里津1943年6月出生，1962年进入德国布朗许瓦格技术大学学习物理，1972年在维尔兹堡物理学所获得博士学位。
1980年，他到德国慕尼黑技术大学任教，1984年出任德国马克斯―普朗克学会固体研究所所长。
2004年3月，冯·克里津（K．v．Klitzing）博士应邀来华，在位于北京的中德科学研究中心为公众作了题为《物理学与计量学——从商代的长度计量单位到量子霍尔效应的应用》的科普报告。
从4000多年前中国商代的长度和重量的计量单位到古埃及和印度用于计量时间的日规、水表，他讲述了计量学演化的过程，以及量子霍尔效应在确定新计量单位中的应用前景。
霍耳效应霍耳效应是1879年美国物理学家霍耳（EdwinHall）研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。
他在长方形导体薄片上通以电流，再沿电流的垂直方向加上磁场，然后发现在导体两侧与电流和磁场均垂直的方向上产生了电势差。
这个效应后来被广泛应用于半导体研究。
1980年，冯·克里津从金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)发现了一种新的量子霍尔效应。
他在硅MOSFET管上加两个电极，再把这个硅MOSFET管放到强磁场和极低温下，发现霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现了一系列平台，与这些平台相应的霍耳电阻Rh=h/(ne2)，其中n是正整数1，2，3……。
【历届诺贝尔奖得主(九)】1998年物理学奖和化学奖1
1998年12月10日第九十八届诺贝尔奖颁发。
物理学奖美国科学家劳克林、斯特默、美籍华裔科学家崔琦因发现了分数量子霍尔效应，而共同获得诺贝尔物理学奖。
1998年，劳克林与施特默（德）和崔琦（美）一同获得诺贝尔物理学奖。
劳克林证明了，在基态和激发态之间有一能隙，激发态内存在分数电荷的“准粒子”。
1972年在Berkeley大学获得学士学位。
劳克林1978年后，在BellLabs和LivermoreLab工作，并且在LivermoreLab完成了劳克林使他后来获得诺贝尔物理奖的关于分数量子Hall效应理论的工作。
1989年—2004年在斯坦福大学任教。
1998年与霍尔斯特?施特默（德）和崔琦（美）一同获得诺贝尔物理学奖。
1980年德国物理学家克劳斯·冯·克利青在实验中发现了量子霍尔效应，即霍尔电阻随磁感应强度的变化不是线性的而是台阶式的，出现台阶处的电阻值与材料的性质无关，而是由一个常数h/e2除以不同的整数，他也因此获得了1985年度的诺贝尔物理学奖。
两年之后，施特默、崔琦及其同事们在实验中采用更低的温度和更强的磁场对霍尔效应进行了细致的研究，发现了分数量子霍尔效应。
他们在霍尔电阻中发现了一个使他们非常惊奇的新台阶，这些新台阶的高度都能表示为h/e2除以不同的分数。
分数量子霍尔效应发现一年后，劳克林提出了理论解释。
他指出，在量子霍尔效应情形下，电子体系凝聚成了某种新型的量子流体。
而且，他还提出一个多电子体系的波函数，用以描述电子间有相互作用的量子流体的基态。
分数量子霍尔效应本身就是对新型的量子流体理论的一个间接检验。
后来，几个研究小组成功地观察到了这种新粒子。
斯特默出生：1949年4月6日德国法兰克福研究领域：物理著名成就：调制掺杂、电子的分数量子霍尔效应国籍：德国居住地：美国研究机构：哥伦比亚大学贝尔实验室母校：法兰克福大学奖项：1998年诺贝尔物理学奖霍斯特·路德维希·斯特默（HorstLudwigStörmer，1949年4月6日法兰克福—），德国物理学家，1998年获诺贝尔物理学奖。
量子霍尔效应详解
量子霍尔效应是过去二十年中，凝体物理研究里最重要的成就之一。
要解释这个效应，需要用上许多量子物理中最微妙的概念。
1998年的诺贝尔物理奖，由美国普林斯顿大学的崔琦（Daniel C. Tsui）、哥伦比亚大学的史特莫（Horst L. Stormer）及史丹佛大学的劳夫林（Robert B. Laughlin）三人获得。
得奖理由是“他们发现了一种新形态的量子流体，其中有带分数电荷的激发态”。
在他们三位的新发现之前，物理学者认为除了夸克一类的粒子之外，宇宙中的基本粒子所带的电荷皆为一个电子所带的电荷-e（e=1.6×10-19库伦）的整数倍。
而夸克依其类别可带有±1e/3或±2e/3电荷。
夸克在一般状况下，只能存在于原子核中，它们不像电子可以自由流动。
所以物理学者并不期待在普通凝体系统中，可以看到如夸克般带有分数电子电荷的粒子或激发态。
这个想法在1982年崔琦和史特莫在二维电子系统中，发现分数霍尔效应后受到挑战。
一年后劳夫林提出一新颖的理论，认为二维电子系统在强磁场下由于电子之间的电力库伦交互作用，可以形成一种不可压缩的量子液体（incompressible quantum fluid），会展现出分数电荷。
分数电荷的出现可说是非常神秘，而且出人意表，其实却可以从已知的量子规则中推导出来。
劳夫林还曾想利用他的理论，解释夸克为什么会带分数电子电荷，虽然这样的想法还没有成功。
劳夫林的理论出现后，马上被理论高手判定是正确的想法。
不过对很多人而言，他的理论仍很难懂。
在那之后五、六年间，许多重要的论文陆续出现，把劳夫林理论中较隐晦的观念阐释得更清楚，也进一步推广他的理论到许多不同的物理状况，使整个理论更为完备。
以下扼要说明什么是分数量子霍尔效应，以及其理论解释。
霍尔电导系数编辑我们研究的对象是二维电子系统。
假设电子仅能活动于x-y平面上，而在z轴方向有一均匀磁场B，如图一所示。
霍尔效应就是当x轴方向有电流I时，在y轴方向就会有电位差VH。
诺贝尔物理学奖六十年
2011年诺贝尔物理学奖获奖者为美国加州大学伯克利分校教授索尔·佩尔马特，澳大利亚国立大学教授布莱恩·施密特，以及美国约翰斯·霍普金斯大学教授亚当·里斯。
他们的贡献是，通过对超新星的观测证明宇宙在加速膨胀、变冷。
2010年诺贝尔物理学奖获奖者为英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。
他们在2004年制成石墨烯材料。
石墨烯是目前已知材料中最薄的一种，被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业的再次革命。
2009年诺贝尔物理学奖获奖者为英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯。
高锟获奖是由于在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”作出了突破性成就，而两位美国科学家的主要成就是发明半导体成像器件——电荷耦合器件（CCD）图像传感器。
2008年诺贝尔物理学奖获奖者为美国籍科学家南部阳一郎和日本科学家小林诚、益川敏英。
南部阳一郎的贡献是发现了亚原子物理学中的自发对称性破缺机制，而小林诚和益川敏英的贡献是发现了有关对称性破缺的起源。
2007年，法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因发现“巨磁电阻”效应而获诺贝尔物理学奖。
2006年，美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特因发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性而获奖。
2005年，美国科学家罗伊·格劳伯、约翰·霍尔和德国科学家特奥多尔·亨施因为“对光学相干的量子理论的贡献”和对基于激光的精密光谱学发展作出了贡献而获奖。
2004年，诺贝尔物理学奖归属美国科学家戴维·格罗斯、戴维·波利策和弗兰克·维尔切克。
他们发现了粒子物理强相互作用理论中的渐近自由现象。
2003年诺贝尔物理学奖——超导和超流体理论研究领域的卓越贡献2003年度诺贝尔物理奖授予拥有俄罗斯和美国双重国籍的科学家阿列克谢·阿布里科索夫、俄罗斯科学家维塔利·金茨堡以及拥有英国和美国双重国籍的科学家安东尼·莱格特,以表彰他们由于在超导和超流体理论研究领域所作出的开创性贡献。
霍尔效应的应用
以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件通称为 霍尔效应磁敏传感器，简称霍尔传感器。利 用霍尔电压与外加磁场成正比的线形关系可 做成多种电学和非电学测量的线性传感器。 如控制一定电流时，可以测量交、直流磁感 应强度和磁场强度；控制电流电压的比例关 系，令输出的霍尔电压与电压乘电流成比例 ， 可制成功率测量传感器； 当固定磁场强度大小及方 向时，可以用来测量交直 电流传感器 流电流和电压。利用这一原理 还可以进一步测量力、位移、压差、角度、振 动、转速、加 速度等各种非电学量。霍尔传感器 齿轮传感器 在日常生活和工业生产中应用广泛。
两侧会产生一个U，这种现象叫做“霍尔效
应”。实验表明，在磁场不太强时，电势差U与电流I和磁感应强度 B成正比，与板的厚度D成反比。即U=KIB/d，式中比例系数K叫做子）发生偏转，结果在A，A’两侧分别聚集正负电荷，形成 电势差。设导体板内载流子的平均定向速率为u,它在磁场中受到的 洛伦兹力为quB 。当A，A’两侧之间形成电势差后，载流子还受到 一个相反的力qE=qU/b ，最后达到恒定状态时，两个力平衡 quB=qU/b，此外，设载流子的浓度为n,则电流I与u的关系为I=bdnq， 或u=I/bdnq，于是U=IB/nqd，此式与前面相比，即得霍尔系数 K=1/nq。
一般而言，金属和电解质的霍尔系数很小，霍尔效应不显 著；半导体的霍尔系数则大得多，霍尔效应显著。从20世 纪60 年代起，随着半导体材料和半导体工艺的飞速展， 人们发现用半导体材料制成的霍尔元件 具有对磁场敏感、结构简单而牢靠、成 本低廉、体积小、频率响应宽、输出电 压变化大和使用寿命长等优点，因此， 将其广泛应用于电磁测量、非电量测量、 自动控制、计算与通讯装置中。主要表 现在以下几个方面:(1)测量磁场;(2)测量 半导体特性;(3)磁流体发电; (4)电磁无损探伤;(5)霍尔传 感器; 便携式霍尔效应测量仪
清华大学发现量子反常霍尔效应 触及诺贝尔奖
中广网北京4月10日消息（记者刘玉蕾）据中国之声《央广新闻》报道，清华大学今天召开新闻发布会，由清华大学薛其坤院士领衔的中国团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应，这是世界基础科学领域的重大发现，这一发现或将对信息技术进步产生重大影响。
简单来说，量子霍尔效应是整个物理领域，尤其是凝聚态物理领域当中最重要和最基本的量子效应之一，只要是物理方面的研究人员，都会涉及到的物理现象。
比如，我们经常会感到电脑运行很慢，芯片发热散热，效率不高，这当中涉及到了霍尔效应，好比一辆非常高档的豪华车却行驶在闹市中心，开不起来速度慢；但是如果能够实现量子反常霍尔效应，好比让车走在高速公路上，各行其道，互不干扰，这样就克服了电脑发热和能量耗散的问题。
这也是我们为什么会特别重视量子反常霍尔效应的原因。
事实上，从上个世纪1980年开始，德国、美国科学家相继发现了整数量量子效应和非数量霍尔效应，他们都获得了诺贝尔物理学奖。
1998年诺贝尔物理学奖——分数量子霍耳效应的发现
1998年诺贝尔物理学奖——分数量子霍耳效应的发现1998年诺贝尔物理学奖授予美国加州斯坦福大学的劳克林（Robert ughlin，195O—），美国纽约哥伦比亚大学与新泽西州贝尔实验室的施特默（Horst L.St rmer，1949—）和美国新泽西州普林斯顿大学电气工程系的崔琦（Daniel C.Tsui，1939—），以表彰他们发现了一种具有分数电荷激发状态的新型量子流体，这种状态起因于所谓的分数量子霍耳效应。
量子流体早在研究极低温状态下的液氦和超导体时就已有所了解。
在这些领域里，已经有好几位物理学家获得过诺贝尔物理学奖。
例如，卡末林－昂内斯由于液氦的研究和超导电性的发现获1913年诺贝尔物理学奖；朗道由于液氦和超流理论获1962年诺贝尔物理学奖；巴丁、库珀和施里弗由于提出超导电性的BCS 理论获1972年诺贝尔物理学奖；卡皮查由于发现氦的超流动性获1978年诺贝尔物理学奖；柏诺兹和缪勒由于发现高温超导获1987年诺贝尔物理学奖；戴维·李、奥谢罗夫和R.C.里查森则因发现氦－3的超流动性获1996年诺贝尔物理学奖。
这么多的物理学家受到如此殊荣，说明凝聚态物理学在20世纪有极大的发展，而低温和超导在这一领域内又具有特殊重要的地位。
分数量子霍耳效应正是继高温超导之后凝聚态物理学又一项崭新课题。
分数量子霍耳效应是继霍耳效应和量子霍耳效应①的发现之后发现的又一项有重要意义的凝聚态物质中的宏观量子效应。
冯·克利青由于在1980年发现了量子霍耳效应而于1985年获得诺贝尔物理学奖。
图98－1表示冯·克利青所得霍耳电阻随磁场变化的台阶形曲线。
台阶高度等于物理常数h/e2除以整数i。
e与h是自然的基本常数——e是电子的基本电荷，h是普朗克常数。
h/e2值大约为25kΩ。
图中给出了i＝2，3，4，5，6，8，10的各层平台。
下面带峰的曲线表示欧姆电阻，在每个平台处趋于消失。
量子数i也可用填充因子f 代替，填充因子f由电子密度和磁通密度确定，可以定义为电子数N与磁通量子数Nφ（＝φ/φ0）之比，即f＝N/Nφ，其中φ为通过某一截面的磁通，φ0为磁通量子，φ0＝h/e＝4.1×10-15Vs.当f是整数时，电子完全填充相应数量的简并能级（朗道能级），这种情况的量子霍耳效应叫做整数量子霍耳效应，以与分数量子霍耳效应相区别。
分数量子霍尔效应_1998年诺贝尔物理学奖介绍_郑厚植
FRACTIONAL QUANTUM HALL EFFECT AND THE′1998 NOBEL PRIZE IN PHYSICS
Z heng Houzhi
(National Laboratory for S uperlattices and Microstructures , Institute of Semiconductors , The Chinese Academy o f Sciences , Beijing 100083)
量子霍尔效应的物理机制与朗道能级两侧 尾翼部分电子态的局域化是直接相关的 .一个 在垂直磁场作用下的理想二维电子系统的电子
28 卷 (1999 年) 3 期
图 4 考虑了杂质 、缺陷引起的均匀或 非均匀展宽后的朗道能级态密度 (涂黑色部分表示迁移率能隙)
用改变二维电子浓度 N 2D和扫描磁场的方 法可以连续调节费米能级 EF 相对朗道能级的 位置 .当 E F 处于迁移率能隙之中时 , 对霍尔电 流有贡献的电子态数目 是不变的 , 等于 EF 以 下填满的所有朗道能级中扩展态的总数 .这似 乎可以解释 R H 为什么显示出一定宽度的霍尔 平台 .同时 , 由于 EF 附近的状态都是局域的 , 它们对纵向电导 σxy的贡献也为零 .根据张量关 系式 ρxx =σxx/(σ2xx +σ2xy), 纵 向电阻率 ρxx 也 为零 .从上面的论述可知 , 二维系统中存在无序 是能观察到量子霍尔效应的先决条件 , 这多少
· 132 ·
面势阱 的范围之内 , 如图 1 所示 .在这种情况 下 , 电子只能沿界面作自由运动 , 故称作二维电 子气 .由于 GaAs/ AlGaAs 是晶体匹配的材料体 系 , 利用现代分子束外延(MBE)生长技术几乎 可以获得原子级平整的界面 , 大大减少了界面 缺陷和界面粗糙度对输运性质的影响 .另一方 面 , 超 高 真 空 下 MBE 生 长 保 证 了 GaAs , AlG aAs本征材料的纯度可达到 1013 cm -3 的水 平 .更为重要的是 , 利用调制掺杂可将施主杂质 (Si)掺杂在离界面一定距离以外的 AlGaAs 一 侧 , 转移到窄能隙的 GaAs 侧界面 势阱中的二 维电子远离产生它的电离施主 , 使它们感受到 的库仑散射作用大大减弱 , 极大地提高了二维 电子气 在低 温下的 迁移 率 .迄今 为 止 , GaAs/ AlGaAs 调制掺杂异质结能获得的电子迁移率 已高达 1 ×107cm2/V ·s , 这意味着调制掺杂异 质结构已将杂质 、缺陷等对二维电子系统的“干 扰”降低到最低限度 , 这才使电子间的多体相互 作用显得更为重要 起来 .因此 , 从某种 意义上 说 , 性质优异的调制掺杂异质结构为 IQH E 和 FQHE 的发现提供了必要条件 .
三维量子霍尔效应诺贝尔奖
三维量子霍尔效应诺贝尔奖1. 什么是三维量子霍尔效应三维量子霍尔效应是指在三维材料中出现的一种量子霍尔效应。
量子霍尔效应是指在二维材料中，当施加外加电场时，在材料内部会出现一种特殊的电流分布，即电流只在材料的边缘流动，而在材料的内部则不流动。
这种现象是由于材料内部的电子在磁场的影响下，会形成一种能量级别的分层结构，称为“能级阶梯”。
这种分层结构使得电子在材料内部只能沿着边缘运动，从而产生量子霍尔效应。
2. 三维量子霍尔效应的意义和应用领域是什么三维量子霍尔效应的发现具有重要的科学意义和潜在的应用价值。
首先，三维量子霍尔效应的发现丰富了我们对量子霍尔效应的理解，拓展了我们对非平凡拓扑态材料的认识。
其次，三维量子霍尔效应在拓扑量子计算、量子信息存储和传输等领域具有潜在的应用价值。
由于三维量子霍尔效应能够在材料内部实现电流的无耗散传输，因此可以用于设计更高效、更稳定的量子计算和通信设备。
3. 谁获得了三维量子霍尔效应的诺贝尔奖目前（截至2021年），尚未有科学家因为发现或研究三维量子霍尔效应而获得诺贝尔奖。
然而，诺贝尔奖经常被授予在科学研究中做出重大突破的科学家，而三维量子霍尔效应被视为拓扑量子物理研究的重要方向之一。
因此，未来有可能会有科学家因为对三维量子霍尔效应的贡献而获得诺贝尔奖，以表彰他们对物理学领域的突破性工作。
总结：三维量子霍尔效应是在三维材料中出现的一种特殊的电流分布现象。
它在科学上丰富了我们对量子霍尔效应的认识，为非平凡拓扑态材料的研究提供了新的方向。
此外，三维量子霍尔效应也具有潜在的应用价值，可以在量子计算和量子通信等领域中发挥重要作用。
目前，尚未有科学家因为三维量子霍尔效应获得诺贝尔奖，但这个领域的研究仍在不断发展，未来的诺贝尔奖可能会有科学家因为对三维量子霍尔效应的贡献而获得。
量子霍尔效应
简介量子霍尔效应是过去二十年中，凝体物理研究里最重要的成就之一。
要解释这个效应，需要用上许多量子物理中最微妙的概念。
1998年的诺贝尔物理奖，由美国普林斯顿大学的崔琦（Daniel C. Tsui）、哥伦比亚大学的史特莫（Horst L. Stormer）及史丹佛大学的劳夫林（Robert B. Laughlin）三人获得。
得奖理由是“他们发现了一种新形态的量子流体，其中有带分数电荷的激发态”。
在他们三位的新发现之前，物理学者认为除了夸克一类的粒子之外，宇宙中的基本粒子所带的电荷皆为一个电子所带的电荷-e（e=1.6×10-19库伦）的整数倍。
而夸克依其类别可带有±1e/3或±2e/3电荷。
夸克在一般状况下，只能存在于原子核中，它们不像电子可以自由流动。
所以物理学者并不期待在普通凝体系统中，可以看到如夸克般带有分数电子电荷的粒子或激发态。
这个想法在1982年崔琦和史特莫在二维电子系统中，发现分数霍尔效应后受到挑战。
一年后劳夫林提出一新颖的理论，认为二维电子系统在强磁场下由于电子之间的电力库伦交互作用，可以形成一种不可压缩的量子液体（incompressible quantum fluid），会展现出分数电荷。
分数电荷的出现可说是非常神秘，而且出人意表，其实却可以从已知的量子规则中推导出来。
劳夫林还曾想利用他的理论，解释夸克为什么会带分数电子电荷，虽然这样的想法还没有成功。
劳夫林的理论出现后，马上被理论高手判定是正确的想法。
不过对很多人而言，他的理论仍很难懂。
在那之后五、六年间，许多重要的论文陆续出现，把劳夫林理论中较隐晦的观念阐释得更清楚，也进一步推广他的理论到许多不同的物理状况，使整个理论更为完备。
以下扼要说明什么是分数量子霍尔效应，以及其理论解释。
霍尔电导系数我们研究的对象是二维电子系统。
假设电子仅能活动于x-y平面上，而在z轴方向有一均匀磁场B，如图一所示。
霍尔效应就是当x轴方向有电流I时，在y轴方向就会有电位差VH。
量子反常霍尔效应世界难题被我国科学家攻克——中国本土科学家可能首次获得诺贝尔奖
向量子反常霍尔效应的实验发起冲击 。 截止到 ２ ０ １ ３年的四年
中， 团队生长和测量 了 １ ０ ０ Ｏ多个样 品， 利用分子束外延的方 法使之长出一层几纳米厚 的薄膜 ，然后再掺进去铬离子 ， 生
团 队， 历 时 ４年完成 的研究报告在《 科学 》 杂志在线发表 。这
项被 ３名匿名评审人给予高度评价 的成果 ， 是在美 国物 理学 家霍尔于 １ ８ ８ ０ 年发现反常霍尔效应 １ ３ ３年后 ，首 次实现的 反 常霍 尔效应 的量子化 ， 也 因此被视作 “ 世界基 础研究领域
教 育 学 术 视 窗
质上完全不同 ， 反常霍尔效应是由于材料本身的 自发磁化而
产生 的 ， 因此这 是一个全新 的量 子效 应 ， 有可能是量 子霍尔
量 予反 市窄尔效 应世 界难题 被 我 国科 学家攻 克
— —
效应家族 的最后一个重要成员。如果能在实验上实现零磁场
中的量子霍尔效应 ， 利用其无耗散的边缘态发展新一代的低
１ ９ ８ ２ 年， 美国物理学家崔琦和施特默等发现 了分数量子霍尔
效应 ， 这个效应不久由另一 位美 国物理学 家劳弗林 给出理论 解释 ， 他们三人荣获 １ ９ ９ ８ 年诺贝尔物理学奖 。
量子霍尔效应在未来 电子器件 中发挥特殊 的作用 ， 可以 用 于制 备低 能耗 的高速 电子器件 。例如 ， 如果把量子霍尔效 应 引入计算 机芯 片 ，将会克服 电脑 的发热和能量耗散 问题 。 然 而它需要 的强磁场设备不但 价格 昂贵 ， 而且体 积庞大 （ 衣 柜大小 ） ， 也不适合于个人 电脑和便携式计算机 。
能耗晶体管和电子学器件 ， 从而解决电脑发热问题和其它 的
一
些瓶颈问题 ， 推动信息技术的进步。但反常霍尔效应的量
霍尔效应(物理学名词)
霍尔效应(物理学名词)整数量子霍皇受尔效应的机制已经基本清楚，而仍有一些科学家，如冯·克利青排或铁设愿和纽约州立大学石溪分校的V·J·Goldman，还在做一些分数量子效应的研究。
一些理论学家指出分数量子霍尔效应中的某些平台可以构成非阿贝尔态(Non-Abelian States)，这可以成为搭建拓扑量子计算机的基础。
石墨烯中的量子霍尔效应与一般的量子霍尔行为大不相同，称为异常量子霍尔效应(Anomalous Quantum Hall Effect)。
此外，Hirsh、张首晟等提出自旋量子霍尔效应的概念,与之相关的实验正在吸引越来越多的关注。
中国科学家发现量子反常霍尔效应《科学》杂志在线发文，宣布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。
这一发现由清华大学教授、中科院院士薛其坤(原曲阜师范大学物理工程学院教师)领衔，清华大学、中科院物理所、斯坦福大学研究团队历时4年完成。
美国物理学家霍尔在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。
这一发现是相关领域的重大突破，是世界基础研究领域的重要科学发现。
美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现了霍尔效应和反常霍尔效应。
1980年，德国科学家冯·克利钦发现了整数量子霍尔效应，1982年，美国科学家崔琦和斯托默发现了分数量子霍尔效应。
这两项成果分别获得了1985年和1998年的诺贝尔物理学奖。
由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队，经过数年不懈探索和艰苦攻关，成功实现了"量子反常霍尔效应"。
这是国际上该领域的一项重要科学突破，该物理效应从理论研究到实验观测的全过程，都是由我国科学家独立完成。
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。
霍尔效应资料
背景介绍
量子霍尔效应
长时期以来，霍尔效应是在 室温和中等强度磁场条件下进行实验 的。1980年,德国物理学家克利青 (Klaus von Klitzing)发现在低温条 件下半导体硅的霍尔效应不是常规的 那种直线，而是随着磁场强度呈跳跃 性的变化，这种跳跃的阶梯大小由被 整数除的基本物理常数所决定。
+B,-I, 测得电压U2=-UH-UE+UN+URL-U0
-B,-I, 测得电压U3=UH+UE-UN-URL-U0
-B,+I, 测得电压U4=-UH-UE-UN-URL+U0
UH=（U1-U2+U3-U4)/4-UE
忽略UE
则UH=（|U1|+|U2|+|U3|+|U4|)/4
霍尔传感器的应 用
实验数据例——螺线管内轴线磁场分布的测定
(续表2)
X/cm 23.00 24.00 24.50 25.00 25.50 26.00 26.50 27.00 27.50 28.00 28.50 29.00 29.50 30.00
U’1/mV 109.9 109.7 109.5 109.1 108.5 107.6 106.1 103.6 99.5 93.5 83.5 69.0 52.4 36.2
1.接线 2.调标准工作状态 3.定标：固定位置、改变励磁电流 4.测量：固定励磁电流、改变位置
请按以上关键点阅读以下材料。
实验装置
FD-ICH-II型螺线管磁场测定仪
包括实验主机、集成霍耳传感器探测棒、螺线管、双刀和单刀 换向开关、三芯电源线及导线若干.
实验装置——电源组和数字电压表
实验装置——集成霍耳传感器探测棒、螺线管
反常量子霍尔效应诺贝尔奖
反常量子霍尔效应诺贝尔奖反常量子霍尔效应是指在半导体材料中观察到的量子霍尔效应的一种特殊形式。
这一现象于1985年被德国物理学家冯·克卢赫和美国物理学家罗伯特·拉夫里达斯首次发现，并因其重要性而在2016年被授予诺贝尔物理学奖。
量子霍尔效应是指电子在强磁场作用下沿着材料表面产生的电场，从而使电子在材料中沿特定的方向运动，出现电流。
这一效应在20世纪80年代被发现，极大地推动了半导体物理学的发展。
但在一般情况下，电子在霍尔效应中的行为是受到磁场和电子间相互作用的影响的。
反常量子霍尔效应则是一种例外，其中电子运动的方式不受这种相互作用的影响，而是与电子自旋之间的相互作用相关。
反常量子霍尔效应的理论基础是拓扑物态理论，它描述了一类特殊的物态——拓扑绝缘体。
在拓扑绝缘体中，电子的行为受到量子力学的拓扑性质的支配，而不是受到电子间相互作用的影响。
这一新颖的物态在理论上得到了广泛的研究，并在实验上得到了验证。
冯·克卢赫和拉夫里达斯在研究半导体中的拓扑物态时，意外地发现了反常量子霍尔效应。
他们通过将薄层的汞铋碲化物置于磁场中，并且控制磁场的方向和强度，成功地观察到了反常量子霍尔效应产生的电势差。
这一观测结果确认了拓扑绝缘体在实验上的存在，并表明了其在量子计算和能源传输方面的潜在用途。
反常量子霍尔效应的发现具有重要的科学意义和应用价值。
首先，它证实了拓扑绝缘体的存在，并为拓扑物态的研究提供了一个有力的实验平台。
其次，反常量子霍尔效应具有低能耗和高速传输的特点，因此具有广泛的应用前景。
例如，在量子计算领域，反常量子霍尔效应提供了一种新的信息传输方式，可以实现更加高效的量子比特传输。
此外，反常量子霍尔效应也可以应用于新型的能源器件和电子器件的设计。
为了更好地理解和利用反常量子霍尔效应，科学家们进行了大量的实验和理论研究。
他们进一步深入探索了拓扑物态的性质，发展了更加完善的理论模型，同时也在实验上不断地寻找新的拓扑绝缘体材料。
量子反常霍尔效应诺贝尔奖
量子反常霍尔效应诺贝尔奖量子反常霍尔效应诺贝尔奖:量子反常霍尔效应是固态物理领域的一个重要发现，因其对于理解拓扑相和拓扑量子计算的潜力而受到广泛关注。
这项发现对于量子物理学和拓扑学的研究有着深远的影响，并为新型纳米电子器件的发展提供了新的契机。
2016年，诺贝尔物理学奖授予了三位科学家David J. Thouless、F. Duncan Haldane和J. Michael Kosterlitz，以表彰他们对拓扑相和物质性质之间关联的理论发现。
他们的研究集中在量子反常霍尔效应上，这一发现改变了人们对固态物质性质的理解，并为量子计算和量子通信提供了新的可能性。
量子反常霍尔效应是指在某些材料中，当在低温下施加垂直于材料表面的磁场时，会发生电荷传输的现象。
这种现象是由拓扑性质导致的，即通过一种特殊的构型，电子在晶体中的运动形成了一种拓扑相。
在这种相中，电子的输运行为会呈现出量子反常霍尔效应，即导电方式与传统的欧姆电阻不同。
这项发现的意义在于，它揭示了电子态中存在一种全新的拓扑自由度，这种拓扑自由度不能通过连续的变形来改变。
这为实现拓扑电子学提供了基础，并在理论和实验研究中引起了广泛的兴趣。
此外，量子反常霍尔效应还为物质的自旋输运提供了可能性，这对于自旋电子学和自旋计算等领域的研究具有重要意义。
Thouless、Haldane和Kosterlitz的贡献主要体现在他们的理论工作上。
David J. Thouless在1970年代初提出了拓扑不变量的概念，为解释拓扑相的物理现象奠定了基础。
F. Duncan Haldane在1980年代提出了一种描述拓扑相的模型，即Haldane模型，该模型被广泛用于研究量子反常霍尔效应。
J. Michael Kosterlitz在1970年代提出了一个新的拓扑相变理论，即Kosterlitz-Thouless相变，该理论解释了在二维材料中量子反常霍尔效应的出现。
这些科学家的突破性研究成果不仅在学术界引起了广泛关注，还为实际应用提供了新的可能性。
半整数量子霍尔效应诺奖
半整数量子霍尔效应诺奖要说到量子霍尔效应，大家一定会觉得很高深，像是跟咱们平常的生活没啥关系。
但说实话，量子霍尔效应其实不简单，它不仅给咱们打开了一扇通向微观世界的大门，还因为它的发现，最近居然让两位科学家拿到了诺贝尔奖，真是让人既惊讶又佩服。
要知道，能拿诺贝尔奖的可不是随便谁都能做到的。
这不，半整数量子霍尔效应的出现，不仅让科学界瞪大了眼睛，还把量子物理这块儿原本冷冰冰的“硬盘”给烧热了，好像突然有了人类打开宇宙奥秘的新钥匙。
你要说这有多神奇，那可真是神奇得不能再神奇了！那这半整数量子霍尔效应到底是啥呢？简单来说，它是物理学家发现的一个新现象，和普通的霍尔效应有些区别。
说白了，就是当某些材料被冷到极低温，电流在它们里面流动时，竟然会出现一种让人咋舌的“量子化”现象。
换句话说，就是它们在特定条件下，能量以非常“整齐”的方式跳跃，就像你在街头看舞者跳舞，每一步都很精准，一点不差。
而这种现象不仅非常奇怪，而且看起来好像违背了常理，仿佛是量子世界专属的秘密武器。
谁能想到，这些小小的粒子，竟然能做出这么匪夷所思的动作？当科学家发现了这一点，所有的目光都集中在了他们身上。
就像一个突然冒出来的黑马，大家都在猜：它到底隐藏了什么深不可测的奥秘？事情并没有就此停住。
后来，科学家们又发现，这种现象的“半整”形式，不仅仅是偶然，它还揭开了物质世界的新篇章。
这些半整量子霍尔效应的发现，简直让量子物理学的舞台更热闹了起来。
你瞧，这些原本看似枯燥的数字和公式，现在变得格外引人注目。
说实话，谁能想到，一个小小的电子竟然能在科学家手中演绎出如此奇妙的“舞蹈”呢？不得不提的诺贝尔奖的授予可是得了个大大的肯定。
你想，这么复杂的理论，能被发现并且证明，绝对不是小打小闹能做到的。
它是全世界科学家心血的结晶，是他们用几十年甚至几代人默默付出，终于揭开的一张神秘面纱。
而这个奖项的背后，不仅仅是两位获奖人的荣誉，更多的是对无数科研工作者的致敬。
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今年诺贝尔物理学得主的数字计算解释说明夸克 之间越接近，强作用力越弱。当夸克之间非常接近时， 之间越接近，强作用力越弱。当夸克之间非常接近时， 强作用力是如此之弱， 强作用力是如此之弱，以便到它们完全可以作为自由 粒子活动。这种现象叫作“渐近自由” 粒子活动。这种现象叫作“渐近自由”，即渐近不缚 与此相反，当夸克之间的距离越大时， 性。与此相反，当夸克之间的距离越大时，强作用力 就越强。这种特性可以比喻为一种橡皮圈或弹簧，橡 就越强。这种特性可以比喻为一种橡皮圈或弹簧， 皮圈或弹簧拉得越长，力量就会越大。 皮圈或弹簧拉得越长，力量就会越大。 这三位科学家1973年通过一个完善的数学模型公 这三位科学家1973年通过一个完善的数学模型公 1973 布了这一发现。这一发现导致了一个全新的理论， 布了这一发现。这一发现导致了一个全新的理论，即 量子色动力学。这一理论对标准模型作出了重要贡献。 量子色动力学。这一理论对标准模型作出了重要贡献。 标准模型形容了与电磁力、强作用力、 标准模型形容了与电磁力、强作用力、弱作用力有关 的所有物理现象。在量子色动力学家的帮助下， 的所有物理现象。在量子色动力学家的帮助下，物理 学家终于能够解释为什么夸克只有在极高能的情况下 它才会表现为自由粒子。在质子和中子中， 它才会表现为自由粒子。在质子和中子中，它们三个 经常一起出现。 经常一起出现。
V h 1 RH = = 2 , 其中ν = 1, 2,3 等整数， I e ν
1980年，von Klitzing 撰文“利用量子化霍尔电阻高准 年 撰文“ 确决定精细结构常数的新方法” 确决定精细结构常数的新方法”（New Method for Hingaccuracy Determination of the Fine-structure Constant Based on quantized Hall Resistance),引起一连串重大物理发现而获
意义重大
由于戴维·格罗斯、戴维 波利茨 弗兰克·威尔 波利茨、 由于戴维 格罗斯、戴维·波利茨、弗兰克 威尔 格罗斯 茨克的发现， 茨克的发现，物理学家更接近于实现一个伟大的梦 这就是为重力、电磁力、强作用力、 想，这就是为重力、电磁力、强作用力、弱作用力 构建一个统一的理论，一个适用于所有物质的理论。 构建一个统一的理论，一个适用于所有物质的理论。
量子霍尔效应（ 量子霍尔效应（quantum Hall effect)
1979年，德国克利青（Klaus von Klitzing,1943-) 年 德国克利青（ 发现，在极低温和强磁场下， 发现，在极低温和强磁场下，宏观霍尔电压和电阻 霍尔电压与电流之比）呈现量子化变化。 （霍尔电压与电流之比）呈现量子化变化。即
V h 1 1 1 1 RH = = 2 , 其中ν = ，， 等处， I e ν 3 5 7
RH出现了新的台阶）。 出现了新的台阶）。 一年后，美国史丹佛大学的劳夫林（ 一年后，美国史丹佛大学的劳夫林（Rorbert B. Laughlin) 提出新理论，指出在那些分数占有数处，电 提出新理论，指出在那些分数占有数处， 子形成了一种新的稳定流体， 子形成了一种新的稳定流体，是这些电子中的排斥作 用导致了分数量子霍尔效应。 用导致了分数量子霍尔效应。
崔琦(Daniel C.Tsui)、史特莫 崔琦 、史特莫(Horst L.Stormer)和 和 劳夫林（ 劳夫林（Rorbert B. Laughlin) 三人因发现了一种新形 态的量子流体，其中带有分数电荷的激发态， 态的量子流体，其中带有分数电荷的激发态，有助于 理解物质的内部基础结构和动力，而分享了1998年的 理解物质的内部基础结构和动力，而分享了 年的 诺贝尔物理学奖。 诺贝尔物理学奖。 霍尔效应的应用： 霍尔效应的应用： 1、判定载流子的正负性；2、测载流子浓度；3、决 、判定载流子的正负性； 、测载流子浓度； 、 定精细结构常数； 、用于测量技术、电子技术、 定精细结构常数；4、用于测量技术、电子技术、自 动化技术、计算技术等领域； 、 动化技术、计算技术等领域；5、我国已制造出多种 半导体材料的霍尔元件，用于测磁感应强度、电流、 半导体材料的霍尔元件，用于测磁感应强度、电流、 微小位移、压力、转速、放大、振荡、调制、检波、 微小位移、压力、转速、放大、振荡、调制、检波、 计算元件等； 、磁流体发电。 计算元件等；6、磁流体发电。
2004年诺贝尔物理奖由三位美国科学家分享 年诺贝尔物理奖由三位美国科学家分享
维尔泽克 麻省理工学院
格罗斯 加利福尼亚大学
波利茨 加利福尼亚理工 学院
瑞典皇家科学院在授予这三位科学家诺贝尔物理 学奖的文告中称，他们是因在夸克粒子理论方面所取 学奖的文告中称，他们是因在夸克粒子理论方面所取 得的成就才获此奖项的 才获此奖项的。 得的成就才获此奖项的。夸克是自然界中最小的基本 粒子。 粒子。这三位科学家对夸克的研究使科学更接近于实 现它为“所有的事情构建理论”的梦想。 现它为“所有的事情构建理论”的梦想。 今年的诺贝尔单项大奖奖金总额为1000万瑞典克 万瑞典克 今年的诺贝尔单项大奖奖金总额为 约合136万美元。 万美元。 朗，约合 万美元 研究成果：发现了强相互作用理论中的“渐近自由” 研究成果：发现了强相互作用理论中的“渐近自由”现 象 强相互作用力就是原子核内起维系作用的力量， 强相互作用力就是原子核内起维系作用的力量，它 就是原子核内起维系作用的力量 将质子和中子中的夸克束缚在一起， 将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子 和中子束缚在一起。 和中子束缚在一起。
年的诺贝尔物理奖。 得1985年的诺贝尔物国普林斯顿大学的崔琦(Daniel C.Tsui) 年 美国普林斯顿大学的崔琦 和哥伦比亚大学的史特莫(Horst L.Stormer)在二维电 和哥伦比亚大学的史特莫 在二维电 分数量子霍尔效应（ 子系统中发现分数量子霍尔效应 子系统中发现分数量子霍尔效应（即