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

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 。
三、 量子反常霍 尔效应的意义及发展前景 量子反常霍尔效应 之所 以如此重要 ， 是 因为效应可能在
、
反 常 霍 尔 效 应 的前 世
（ 一） 霍 尔效 应
霍尔效应是美国物理学家霍尔于 １ ８ ７ ９ 年 发现 的一个物 理效应 。在一个通有 电流的导体中 ， 如果施加一个垂直 于电 流方 向的磁场 ， 由于洛伦 兹力的作用 ， 电子 的运 动轨迹将 产
发 现 了整数量子霍 尔效应 ，获得 １ ９ ８ ５年诺 贝尔物理 学奖 。
英 国科 学家安德烈 ・ 海姆 和康斯坦丁 ・ 诺沃 肖洛 夫成功地 在 实验 中从石墨 中分离出石墨烯 ， 在常温下观察到量子霍尔效 应。 他们 于 ２ ０ １ ０年获诺奖。 石墨烯这种“ 超薄的碳膜 ” 厚度只
计算机未来可能更新换代。
霍尔效应 是诺 贝尔奖的富矿 。最近一次也是第三次与霍 尔效应有关的诺 贝尔奖是 ２ ０ １ ０年的诺贝尔物理奖 。 ２ ０ ０ ５年 ，
作 为微 观电子世界 的量 子行 为在 宏观 尺度上的完 美体 现， 量子霍尔效应 （ 强磁场 中， 纵 向电压和横 向电流的 比值随 着磁场增强而 出现 的量子化特点 ） 一直在凝 聚态物理研究 中 占据着极其重要 的地位 。 １ ９ ８ ０ 年左右 ， 德 国科学家冯 ・ 克利青
的一 项 重 要 科学 发 现 ” 。
一
长 了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜 ， 将其制备成输运器 件并在 几毫开 的极低 温度 环境下对其磁 电阻和反 常霍尔效
应进行 了精密测量 。终 于发现在一定 的外加栅极 电压范 围
内， 此材料在零磁场 中的反常霍尔 电阻达到 了量子霍尔效应 的特征值 ｈ ， ｅ ２ — ２ ５ ８ ０ ｏ 欧姆 ， 世界难题得 以攻克。薛其坤 院士 说： 这是我们 团队精诚合作 、 联合攻关 的共 同成果 ， 是 中国科 学家的集体荣誉 。
有０ ． ３ ３ ５纳米 ， 是至今发现的厚度最薄和强度最高的材料 。
此外 ， 量子 自旋霍尔效应 于 ２ ｏ ｏ ７年被发现 ， ２ ０ １ ０年获得
欧洲物理奖 ， ２ ０ １ ２年获得美国物理学会巴克利奖 。 ２ ０ １ ３年 ３月 １ ６日， 《 科学 》 杂志在线 发文 ， 宣布薛其坤院 士领衔 的团队在实验上首次发现量子反常霍尔效应 ， 而这被
实现量子反常霍尔效应的最佳体系。பைடு நூலகம்由清华大学的薛其坤 、 王
亚愚 、 陈曦 、 贾金锋研究组 ， 与 中科院物理所 的马旭村 、 何珂、 王立莉研究组及 吕力研究组组成的实验攻关 团队合作 ，开始
２ ０ １ ３年 ３月 １ ６日凌晨 ， 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 的研究人员联合组 成的
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
中国本土科学家可能首次获得诺 贝尔奖
子化对材料性质的要求 非常苛刻 ， 美国 、 德国、 日本等科学家
未 取 得 最 后成 功 。
霍 云 亮
（ 承德市教育局教研室，河北 承德 ｏ ６ ７ ０ ｏ ０ ） 关键词 ： 量子 ； 反常霍尔效应 ； 科学 家
中图分类号 ： Ｇ６ ３ ３ ． ７ 文献标识码 ： Ｄ 文章编号 ： １ ０ ０ ９ — ０ １ ０ Ｘ（ ２ ０ １ ３） ０ ６ — ０ ０ ８ ０ — ０ １
２ ０ ｏ ９年 ， 清华大学薛其坤院士带领团队向量子反常霍尔
效应的实验实现发起冲击。 ２ ０ １ ０年 ， 中科 院物理所 的方忠 、 戴希理论 团队与拓扑绝 缘体理论 的开创者之一 、 斯坦福大学 的张首晟 等合作 ， 提 出了
二、 反 常 量子 霍 尔 效 应
认 为有可能是量子霍尔效应家族 的最后一个重要成员。 与量子霍尔效应相关的发现之所以屡获学术大奖 ， 是因 为霍尔效应在应用技术 中特别重要。人类 日常生活中常用的 很多电子器件都来 自霍尔效应 ， 仅 汽车上广泛应用的霍尔器 件就包括 ： 信号传感器 、 Ａ Ｂ Ｓ系统 中的速度传感器 、 汽车速度 表和里程 表 、 液体 物理量检测器 、 各种 用电负载 的电流检测 及工作状态诊断 、 发动机转速及曲轴角度传感器等 。
生偏转 ，从而在垂 直于电流和磁场方 向的导体 两端产生 电 压， 这一现象就是霍尔效应 。 霍尔效应在应用技术中非常重 要 ， 特别是在现 代汽车上
广 泛 得 到应 用 。 （ 二） 量 子 霍 尔效应
未来 电子器件 中发挥特 殊作用 ， 无需 高强磁场 ， 就 可 以制备
低能耗 的高速电子器件 ， 例如极低 能耗 的芯 片——这意味着
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
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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