清華大學和中國科學院物理研究所4月10日在北京聯合宣布，由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學物理系和中科院物理研究所聯合組成的實驗團隊最近取得重大科研突破，在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。這一實驗發現也證實了此前中科院物理研究所與史丹福大學理論團隊的預言。
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130多年前，美國物理學家霍爾先後發現了霍爾效應和反常霍爾效應。1980年德國科學家馮·克利青發現整數量子霍爾效應，1982年美國科學家崔琦和施特默發現分數量子霍爾效應，這兩項成果分別於1985年和1998年獲得諾貝爾物理獎。物理學家認為量子霍爾效應家族中也應該存在量子反常霍爾效應。但如何使其現身並在實驗上觀測到成為近些年凝聚態物理學家探索的重要難題之一。拓撲絕緣體這個新領域出現之後，2006年美國史丹福大學/清華大學張首晟教授領導的理論組成功地預言了二維拓撲絕緣體中的量子自旋霍爾效應，並於2008年提出了在拓撲絕緣體中引入磁性實現量子反常霍爾效應的可能性。
2010年，中科院物理研究所方忠、戴希研究員等與張首晟教授合作，預言了Cr或Fe摻雜的Bi2Se3,Bi2Te3和Sb2Te3族三維拓撲絕緣體薄膜是實現量子反常霍爾效應的最佳體系。要在實驗上實現反常霍爾效應的量子化需要拓撲絕緣體材料同時滿足三項非常苛刻的條件：材料的能帶結構必須具有拓撲特性從而具有導電的一維邊緣態；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反常霍爾效應；材料的體內必須為絕緣態從而對導電沒有任何貢獻。在實際的材料中實現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，德國、日本、美國的科學家由於無法在材料中同時滿足這三點而未取得最後的成功。
2009年起，由薛其坤院士帶領的清華大學物理系王亞愚、陳曦、賈金鋒和中科院物理所馬旭村、何珂、王立莉、呂力組成的聯合實驗團隊，與方忠、戴希、張首晟等理論物理學家合作，開始向量子反常霍爾效應的實驗實現發起衝擊。在過去近四年的時間裡，團隊生長和測量了超過1000個樣品，克服了重重障礙，一步步實現了對磁性摻雜拓撲絕緣體高質量薄膜的生長、表面電子態的觀測、特別是對其電子結構、磁有序態和能帶拓撲結構的精密調控。2012年10月，該團隊利用分子束外延生長了Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3薄膜，將其製備成輸運器件並在極低溫環境下對其磁電阻和反常霍爾效應進行了精密測量。他們發現在一定的外加柵極電壓範圍內，此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應的特徵值h/e2 25800歐姆，從而證實了此前的理論預言。該成果於北京時間3月15日以"Experimental observation of the quantum anomalous Hall effect in a magnetic topological insulator"為題，在美國《科學》（Science）雜誌在線發表，清華大學物理系博士生常翠祖、張金松、馮硝和中科院物理所博士生沈潔為文章的共同第一作者。
該成果的獲得是我國科學家長期積累、協同創新、集體攻關的一個成功典範。前期，團隊成員已在拓撲絕緣體研究中取得過一系列的進展，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"求是傑出科學家獎"、"求是傑出科技成就集體獎"和"中國科學院傑出科技成就獎"，以及2012年"全球華人物理學會亞洲成就獎"、"陳嘉庚科學獎"等榮譽。該工作得到了國家自然科學基金、科技部、教育部和中國科學院等的基金資助。