由清華大學薛其坤院士領(lǐng)銜，清華大學、中科院物理所和斯坦福大學的研究人員聯(lián)合組成的團隊在量子反?；魻栃?yīng)研究中取得重大突破，從實驗上首次觀測到量子反?；魻栃?yīng)，在美國物理學家霍爾于1880年發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)133年后終于實現(xiàn)了反?；魻栃?yīng)的量子化.這是我國科學家從實驗上獨立觀測到的一個重要物理現(xiàn)象，也是世界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一項重要科學發(fā)現(xiàn).該成果于北京時間3月15日凌晨（美國東部時間3月14日下午）在《科學》雜志在線發(fā)表.《科學》雜志的三位匿名審稿人對該項成果都給予了高度評價.文章的共同第一作者為清華大學物理系的博士生常翠祖、張金松、馮硝同學和中科院物理所的博士生沈潔同學.該工作是由清華大學物理系薛其坤、王亞愚、陳曦、賈金鋒，中科院物理所何珂、馬旭村、王立莉、呂力、方忠、戴希以及斯坦福大學／清華大學張首晟等一起共同攻關(guān)完成的.

由于人們有可能利用量子霍爾效應(yīng)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學器件，這將會克服電腦的發(fā)熱和能量耗散問題，從而有可能推動信息技術(shù)的進步.然而，由于普通量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要用到非常強的磁場（通常需要的磁場強度是地磁場的幾萬甚至幾十萬倍），因此應(yīng)用起來非常昂貴和困難.而量子反?；魻栃?yīng)的最美妙之處是不需要任何外加磁場，因此，這項研究成果將會推動新一代的低能耗晶體管和電子學器件的發(fā)展，可能加速推進信息技術(shù)革命的進程.

圖1

圖2

美國科學家霍爾分別于1879年和1880年發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)和反?；魻栃?yīng).1980年德國科學家馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，1982年美國科學家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應(yīng)，這兩項成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎.2006年，張首晟教授領(lǐng)導的理論組成功地預(yù)言了二維拓撲絕緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng)，于2007年被實驗證實.量子反常霍爾效應(yīng)是又一個全新的量子效應(yīng)，被認為有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個重要成員；加之其在應(yīng)用方面的重要性，因此，從理論研究和實驗上實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，成為凝聚態(tài)物理學家追求的目標.自1988年開始就不斷有理論物理學家提出各種方案，這包括2008年張首晟等和2010年方忠和戴希等提出的磁性摻雜拓撲絕緣體方案.然而反?；魻栃?yīng)的量子化需要材料的性質(zhì)同時滿足三項非?？量痰臈l件，這就如同要求一個人同時具有短跑運動員的速度、籃球運動員的高度和體操運動員的靈巧：材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓撲特性從而具有導電的一維邊緣態(tài)，即一維導電通道；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反常霍爾效應(yīng)；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而對導電沒有任何貢獻，只有一維邊緣態(tài)參與導電.在實際的材料中實現(xiàn)以上任何一點都具有相當大的難度，而要同時滿足這三點對實驗物理學家來講是一個巨大的挑戰(zhàn)，美國、德國、日本等科學家由于無法在材料中同時滿足這三點而未取得最后的成功.

自2009年起，在清華大學薛其坤院士的帶領(lǐng)下，中國科學院物理研究所的馬旭村、何珂和王立莉、清華大學物理系王亞愚、陳曦和賈金鋒以及中科院物理所的呂力等四個研究組組成的實驗攻關(guān)團隊，與中科院物理所方忠、戴希以及拓撲絕緣體理論的開創(chuàng)者之一、清華大學“千人計劃”入選者、美國斯坦福大學張首晟等組成的理論團隊，開始向量子反?；魻栃?yīng)的實驗實現(xiàn)發(fā)起沖擊.在過去近四年的時間里，團隊生長和測量了超過1000個樣品，一步步克服了重重障礙.團隊利用分子束外延的方法生長了高質(zhì)量的磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜，將其制備成輸運器件并在極低溫環(huán)境下對其磁電阻和反?；魻栃?yīng)進行了精密測量.他們發(fā)現(xiàn)在一定的外加柵極電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應(yīng)的特征值h／e2～25 800歐姆.他們將研究成果投到美國《科學》（Science）雜志，很快被接受.

圖3

“這是我們團隊精誠合作，聯(lián)合攻關(guān)的共同成果，是中國科學家的集體榮譽”.薛其坤院士強調(diào)說.

在研究過程中，該團隊取得了系列研究成果，拓撲絕緣體研究成果曾入選2010年中國科學十大進展和中國高校十大科技進展，團隊成員還獲得了2011年“求是杰出科學家獎”、“求是杰出科學成就集體獎”和“中國科學院杰出科技成就獎”以及2012年“陳嘉庚科學獎”和“全球華人物理學會亞洲成就獎”等榮譽.

該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部、清華大學和中國科學院等的基金資助.

背景鏈接一 量子霍爾效應(yīng)的研究成果

在凝聚態(tài)物理的研究中，量子霍爾效應(yīng)占據(jù)著極其重要的地位，此前在這方面的重要工作包括：

整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（1980年發(fā)現(xiàn)，1985年諾貝爾物理學獎）；

分數(shù)量子霍爾效應(yīng)（1982年發(fā)現(xiàn)，1998年諾貝爾物理學獎）；

石墨烯中的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（2005年發(fā)現(xiàn)，2010年諾貝爾物理學獎）；

量子化自旋霍爾效應(yīng)（2007年發(fā)現(xiàn)，2010年歐洲物理學獎，2012年美國物理學會巴克利獎）.

量子反?；魻栃?yīng)是在此領(lǐng)域的又一個重大進展，有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個重要成員.

背景鏈接二 霍爾效應(yīng)、量子霍爾效應(yīng)與量子反常霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)是美國物理學家霍爾（Edwin Hall）于1879年發(fā)現(xiàn)的一個物理效應(yīng).在一個通有電流的導體中，如果施加一個垂直于電流方向的磁場，由于洛倫茲力的作用，電子的運動軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場方向的導體兩端產(chǎn)生電壓，這個電磁輸運現(xiàn)象就是著名的霍爾效應(yīng).產(chǎn)生的橫向電壓被稱為霍爾電壓，霍爾電壓與施加的電流之比則被稱為霍爾電阻.由于洛倫茲力的大小與磁場成正比，所以霍爾電阻也與磁場成線性變化關(guān)系.

1980年左右，德國科學家馮·克利青（Klaus von Klitzing）發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，獲得1985年諾貝爾物理學獎.1982年，美籍華人物理學家崔琦（Daniel Chee Tsui）和施特默（Horst L.Stormer）等發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應(yīng)，這個效應(yīng)不久由另一位美國物理學家勞弗林（Robert B.Laughlin）給出理論解釋，他們?nèi)藰s獲1998年諾貝爾物理學獎.

量子霍爾效應(yīng)之所以如此重要，一方面是由于它們體現(xiàn)了二維電子系統(tǒng)在低溫強磁場的極端條件下的奇妙量子行為，另一方面這些效應(yīng)可能在未來電子器件中發(fā)揮特殊的作用，可以用于制備低能耗的高速電子器件.例如，如果把量子霍爾效應(yīng)引入計算機芯片，將會克服電腦的發(fā)熱和能量耗散問題.然而由于量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要用到非常強的磁場，因此至今為止它還沒有特別大的實用價值——要產(chǎn)生所需的磁場不但價格昂貴，而且其體積龐大（衣柜大?。┮膊贿m合于個人電腦和便攜式計算機.

1880年，霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，即使不加外磁場也可以觀測到霍爾效應(yīng)，這種零磁場中的霍爾效應(yīng)就是反?；魻栃?yīng).反常霍爾效應(yīng)與普通的霍爾效應(yīng)在本質(zhì)上完全不同，因為這里不存在外磁場對電子的洛倫茲力而產(chǎn)生的運動軌道偏轉(zhuǎn).反?；魻栯妼怯捎诓牧媳旧淼淖园l(fā)磁化而產(chǎn)生的，因此是一類新的重要物理效應(yīng).聯(lián)想到上面介紹的量子化的霍爾效應(yīng)，人們自然就會問，能不能實現(xiàn)不需要外加磁場的量子化的反?；魻栃?yīng)呢？這首先將是又一個全新的量子效應(yīng)，有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個重要成員.此外，如果能在實驗上實現(xiàn)零磁場中的量子霍爾效應(yīng)，我們就有可能利用其無耗散的邊緣態(tài)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學器件，從而解決電腦發(fā)熱問題和摩爾定律的瓶頸問題，有可能推動信息技術(shù)的進步.該團隊的研究使這一期待變成現(xiàn)實.

北京時間2013年3月15日，《科學》（Science）雜志在線發(fā)文，宣布薛其坤院士領(lǐng)銜的團隊在實驗上首次發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng).