量子反常霍爾效應:薛其坤送給世界的禮物,將帶來新的信息新革命

這幾年，中國科學家其實也做出了許多驚豔全世界的成就，比如今年才 23 歲的曹原發現了當兩層石墨烯以一個「魔角」扭曲在一起時，就能在零電阻下導電，開創了物理學一個全新的研究領域，有望最終實現能源利用率與能源運輸效率的提高。他的兩篇研究論文直接在一天之內以連刊的方式登上了《自然》雜誌，當然最重要的是兩篇論文的第一作者都是他自己，那個時候他才年僅22歲。還有王貽芳領導的團隊發現了中微子的第三種震蕩模式，發現前兩種震蕩模式的科學家都獲得了諾貝爾獎。還有潘建偉的多光子糾纏及幹涉度量。就是根據量子物理原理提供的一種全新方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和邏輯操作，並對光子、原子等微觀粒子進行精確操縱，以確保通信安全和提升計算速度等方面可以突破經典信息技術的瓶頸，這項技術目前僅中國掌握。

而今天我們想要講的，是清華大學薛其坤，用 5 年時間不懈探索發現的量子反常霍爾效應，這是他獻給世界的諾獎級禮物。

1879 年，美國物理學家霍爾在研究金屬的導電機制時發現，帶電粒子（例如電子）在磁場中運動時會受到洛倫茲力的作用發生偏轉，那麼在磁場中的電流也有可能發生偏轉。當電流垂直於外磁場通過半導體時，載流子發生偏轉，在導體兩端堆積電荷從而在導體內部產生電場，其方向垂直於電流和磁場的方向。當電場力和洛倫茲力相平衡時，載流子不再偏轉。而此時半導體的兩端會形成電勢差。

其中運動電荷在磁場中所受到的力稱為洛倫茲力，即磁場對運動電荷的作用力。我們在中學都學習過左手定則的方法，將左手掌攤平，讓磁感線穿過手掌心，四指表示正電荷運動方向，則和四指垂直的大拇指所指方向即為洛倫茲力的方向。但須注意，運動電荷是正的，大拇指的指向即為洛倫茲力的方向。反之，如果運動電荷是負的，仍用四指表示電荷運動方向，那麼大拇指的指向的反方向為洛倫茲力方向。

而載流子指可以自由移動的帶有電荷的物質微粒，如電子和離子。霍爾的發現後來被稱為「霍爾效應」，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。

簡單來說，霍爾效應它定義了磁場和感應電壓之間的關係。當電流通過一個位於磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個橫向的作用力，從而在導體的兩端產生電壓差

雖然這個效應多年前就已經被人們知道並理解，但基於霍爾效應的傳感器在材料工藝獲得重大進展前並不實用，直到出現了高強度的恆定磁體和工作於小電壓輸出的信號調節電路。根據設計和配置的不同，霍爾效應傳感器可以作為開/關傳感器或者線性傳感器，廣泛應用於電力系統中。

霍爾效應示意圖

人們按照霍爾效應開發的各種霍爾元件被廣泛應用於精密測磁、自動化控制、通信、計算機、航空航天等工業部門和國防領域。

按經典霍爾效應理論，霍爾電阻RH (RH=U/I=K. B/d= B/nqd) 應隨B連續變化並隨著n (載流子濃度)的增大而減小，但是到了 1980 年，著名物理學家馮·克裡津從金屬-氧化物-半導體場效應電晶體(MOSFET)發現了一種新的量子霍爾效應。他在矽MOSFET管上加兩個電極，再把這個矽MOSFET管放到強磁場和極低溫下，發現霍耳電阻隨柵壓變化的曲線上出現了一系列平臺，與這些平臺相應的霍爾電阻Rh=h/(ne2)，其中n是正整數1，2，3……。也就是說，這些平臺是精確給定的，是不以材料、器件尺寸的變化而轉移的。它們只是由基本物理常數h(普朗克常數)和e(電子電荷)來確定。

這被稱為整數量子霍爾效應，後來科學家還發現了分數量子霍爾效應。

當時，物理學者認為除了夸克一類的粒子之外，宇宙中的基本粒子所帶的電荷皆為一個電子所帶的電荷-e（e=1.6×10-19庫倫）的整數倍。而夸克依其類別可帶有±1e/3或±2e/3電荷。夸克在一般狀況下，只能存在於原子核中，它們不像電子可以自由流動。所以物理學者並不期待在普通凝體系統中，可以看到如夸克般帶有分數電子電荷的粒子或激發態。

但是在1982年，華人科學家崔琦和史特莫在二維電子系統中現了分數化的霍爾電阻平臺。一開始是發現了和兩個平臺。之後他們製造出了更純的樣品, 更低的溫度, 更強的磁場. 85mK 和 280kG, 這是人類第一次在實驗室中實現如此低的溫度和如此強的磁場(地磁場是 mG 的量級). 這樣的實驗技術令人嘆為觀止，他們也因此觀察到了更加豐富的結構: 他們也因此觀察到了更加豐富的結構。他們的發現由此被稱為分數量子霍爾效應。

馮·克裡津獲得1985年諾貝爾物理學獎，而崔琦和史特莫則獲得了 1998 年諾貝爾獎。到了2005年，英國科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫。他們倆在2005年發現了石墨烯中的半整數量子霍爾效應，斬獲2010年的諾貝爾物理學獎。

簡單來說，量子霍爾效應一般都是在超低溫和強磁場等極端條件下出現。在極端條件下，電子的偏轉不再像普通霍爾效應中一樣，而是變得更加劇烈並且偏轉半徑變得很小，仿佛就在導體內部圍繞著某點轉圈圈。也就是說，導體中間的部分電子被「鎖住了」，要想導通電流只能走導體的邊緣。

量子霍爾效應與霍爾效應最大的不同之處在於橫向電壓對磁場的響應明顯不同. 橫向電阻是量子化的:

2018年12月18日，英國《自然》雜誌刊登復旦大學物理學系修發賢課題組的最新研究成果《砷化鎘中基於外爾軌道的量子霍爾效應》，這也是中國科學家首次在三維空間中發現量子霍爾效應。

後來，中國科技大學與其合作團隊在《自然》刊登論文表示，他們通過實驗驗證了三維量子霍爾效應，並發現了金屬-絕緣體的轉換。他們發現，人們能夠通過控制溫度和外加磁場實現金屬-絕緣體的轉化。這種原理可以用來製造「量子磁控開關」等電子元器件。三維量子霍爾效應材料中的電子遷移率都很快，電子能快速傳輸和響應，在紅外探測、電子自旋器件等方面擁有應用前景。再次，三維量子霍爾效應因具有量子化的導電特性，還能應用於特殊的載流子傳輸系統。

這個時候，就要講到量子反常霍爾效應了，因為霍爾效應實現量子化，有著兩個極端苛刻的前提條件：一是需要十幾萬高斯的強磁場，而地球的磁場強度才不過0.5高斯；二是需要接近於絕對零度的溫度。

在此背景下，科學家們又提出了一個設想：普通狀態下的霍爾現象會出現反常，那麼，量子化的霍爾現象是否也能出現反常？如果有，不是就可以解決外加高磁場的先決條件了嗎？

也就是說量子反常霍爾效應它不依賴於強磁場而由材料本身的自發磁化產生。在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。自1988年開始，就不斷有理論物理學家提出各種方案，然而在實驗上沒有取得任何進展。

我們可以用一個簡單的比喻，來說明量子霍爾效應和量子反常霍爾效應之間的關係，我們使用計算機的時候，會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態下晶片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發生能量損耗。而量子霍爾效應則可以對電子的運動制定一個規則，讓它們在各自的跑道上「一往無前」地前進。

然而，量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場，「相當於外加10個計算機大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價格昂貴，不適合個人電腦和可攜式計算機。」而量子反常霍爾效應的美妙之處是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。

2006年, 美國史丹福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年指出了在磁性摻雜的拓撲絕緣體中實現量子反常霍爾效應的新方向。2010年，我國理論物理學家方忠、戴希等與張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓撲絕緣體有可能是實現量子化反常霍爾效應的最佳體系。這個方案引起了國際學術界的廣泛關注。德國、美國、日本等有多個世界一流的研究組沿著這個思路在實驗上尋找量子反常霍爾效應，但一直沒有取得突破。因此量子反常霍爾現象也被稱為物理學研究皇冠上的明珠。

量子反常霍爾效應實現非常困難，需要精準的材料設計、製備與調控。儘管多年來各國科學家提出幾種不同的實現途徑，但所需的材料和結構非常難以製備，因此在實驗上進展緩慢。

2009 年，薛其坤和他的團隊也開始了對量子反常霍爾效應的攻堅之路，薛其坤在許多人的眼裡，並不算是一個天才。

1963 年，薛其坤出生山東省沂蒙山區的一個小村莊，家裡兄弟姐妹比較多。讀小學、中學時，農村條件還相對落後，大人們都在為生計而努力。薛其坤也沒有做什麼物理學家的夢，只是有書讀那就讀。後來，國家恢復高考的消息傳來，薛其坤覺得不能浪費這個機會，就開始用心備戰高考。

1980 年，17歲的薛其坤考入山東大學光學系，之所以選擇光學系也是因為老師推薦了這個專業，對什麼專業都不懂的薛其坤依葫蘆畫瓢填了這個專業。1984年畢業的薛其坤開始邊工作邊考研，結果考了三次才考上中科院物理所。1990 年碩士畢業之後，結果又花了 7 年時間才拿到博士文憑。

薛其坤有個外號，叫「7-11院士」。熟悉他的人都知道，早上7點進實驗室，一直幹到晚上11點離開，這樣的作息，薛其坤堅持了20年。薛其坤認為自己既然不是「天才」，那就做個「笨人」吧。做好一個「笨人」，才是不容易的。

從2009 年，薛其坤團隊經過近5年的研究，從拓撲絕緣體材料生長初期的成功，再到後期克服實驗中的重重難關，薛其坤團隊付出了常人難以想像的努力。但實驗最終的成功與否，還要看一個標誌性實驗數據——在零磁場中，能否讓磁性拓撲絕緣體材料的霍爾電阻跳變到25813歐姆的量子電阻值。

他們生長測量了1000多個樣品。最終，他們利用分子束外延方法，生長出了高質量的Cr摻雜（Bi，Sb）2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，並在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應。這是首次在實驗上發現量子反常霍爾效應。

2010年，課題組完成了對1納米到6納米（頭髮絲粗細的萬分之一）厚度薄膜的生長和輸運測量，得到了系統的結果，從而使得準二維超薄膜的生長測量成為可能。2011年，課題組實現了對拓撲絕緣體能帶結構的精密調控，使得其體材料成為真正的絕緣體，去除了其對輸運性質的影響。2012年初，課題組在準二維、體絕緣的拓撲絕緣體中實現了自髮長程鐵磁性，並利用外加柵極電壓對其電子結構進行原位精密調控。2012年10月，課題組終於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——世界難題得以攻克。課題組克服薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關，一步一步實現了對拓撲絕緣體的電子結構、長程鐵磁序以及能帶拓撲結構的精密調控，最終為這一物理現象的實現畫上了完美的句號。

近5年艱苦卓絕的協同攻關，薛其坤團隊克服薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關，一步步實現了對拓撲絕緣體的電子結構、長程鐵磁序以及能帶拓撲結構的精密調控，最終為這一物理現象的實現畫上了完美句號。

《科學》雜誌的一位審稿人說：「這項工作毫無疑問地證實了與普通量子霍爾效應不同來源的單通道邊緣態的存在。我認為這是凝聚態物理學一項非常重要的成就。」另一位審稿人說：「這篇文章結束了多年來對無朗道能級的量子霍爾效應的探尋。這是一篇裡程碑式的文章。」

著名物理學家、諾貝爾獎得主楊振寧稱讚其是諾貝爾獎級的成績。

這項成果具有極為重大的意義，在未來電子器件中發揮特殊的作用，如果能在實驗上實現零磁場中的量子霍爾效應，我們就有可能利用其無耗散的邊緣態發展新一代的低能耗電晶體和電子學器件，從而解決電腦發熱問題和摩爾定律的瓶頸問題，將推動新一代低能耗電晶體和電子學器件的發展，可能加速推進信息技術革命進程。

如果說半導體（晶片）領域的規則制定來自於1958年傑克·基爾比成功研製出世界上第一塊集成電路。而隨著摩爾定律到達極限，量子反常霍爾效應的發現為下一次半導體領域的革命提供了理論基礎。而我們也將更有可能掌握話語權。這項成果由此獲得了有中國諾獎之稱的國家自然科學獎一等獎，要知道，國家自然科學獎一等獎進入 21世紀之來，曾7 次空缺，就知道獎項的嚴格程度了。

Chemical potential

量子反常霍爾效應的原理示意圖：當化學勢（chemical potential）位於鐵磁拓撲絕緣體的狄拉克點處打開的能隙內時，其零磁場的反常霍爾電導sxy(0) 達到量子電導e2/h的數值並形成平臺，而其縱向電導sxx(0)變為0。

每每聽到有人稱讚量子反常霍爾效應的發現是多麼了不起，薛其坤都會回一句，「這是我們團隊精誠合作，聯合攻關的共同成果，是中國科學家的集體榮譽」。在他看來，「團隊協作、攻堅克難」的創新模式是拔得頭籌的重要因素。

「建立新的科學理論、發現新的科學效應和科學規律是基礎研究皇冠上的明珠。量子反常霍爾效應是一個基於全新物理原理的科學效應，是中華人民共和國成立以來我國獨立觀測到的不多的科學效應之一，是我國物理學工作者對人類科學知識寶庫的一個重要貢獻。」

量子反常霍爾效應，是薛其坤給全世界的諾獎級禮物，這份禮物將有可能帶領人類進入新的時代。