| 中科院物理所和清華大學研究人員合作攻關 |
| 首次實現量子反常霍爾效應 |
本報訊（見習記者孫愛民 記者丁佳）最近，由中科院物理所和清華大學等機構的科研人員組成的團隊，首次成功實現「量子反常霍爾效應」。該結果於3月14日在線發表於美國《科學》雜誌。
在凝聚態物理領域，量子霍爾效應研究是一個非常重要的研究方向。發現整數量子霍爾效應與分數量子霍爾效應的科學家分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學獎。
「量子反常霍爾效應不同於量子霍爾效應，它不依賴於強磁場而由材料本身的自發磁化產生。」項目組成員、中科院物理所副研究員何珂告訴《中國科學報》記者，「量子反常霍爾效應是多年來凝聚態物理領域研究者努力追求的目標，在實驗上，這也是一個非常困難的重大挑戰。」
何珂表示，該效應實現非常困難，需要精準的材料設計、製備與調控。美國物理學家霍爾丹於1988年提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，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。2008年，美國史丹福大學教授張首晟等提出，在拓撲絕緣體的薄膜中引入磁性，將有可能實現量子反常霍爾效應。2009年清華大學薛其坤研究組和中科院物理所馬旭村研究組利用分子束外延方法，獲得了高質量的Bi2Te3族拓撲絕緣體薄膜。隨後，中科院物理所方忠、戴希和史丹福大學張首晟等，根據理論和材料計算結果，提出在這種拓撲絕緣體薄膜中摻入磁性元素，就會實現量子反常霍爾效應。
這種理論與材料設計的突破引起了國際上的廣泛興趣。最近，中科院物理所和清華大學等機構的科研人員組成團隊合作攻關，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，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。
《科學》雜誌審稿人對此研究給出高度評價，稱其為「凝聚態物理界一項裡程碑式的工作」。
「不同的團隊、不同特長的人在一起工作、共同交流，最終促成了這項成果的達成。」何珂告訴記者。
何珂表示，人們未來有可能利用量子反常霍爾效應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。然而，研究人員同時表示，這只是一個願景，目前的研究距離真正的應用還很遙遠。
項目組成員、清華大學教授王亞愚告訴記者，要滿足量子化的反常霍爾效應，需要材料滿足特別苛刻的要求。「到目前為止，我們對最終實現量子反常霍爾效應的眾多因素還不是理解得很透徹，需要進一步深入研究。」王亞愚表示，「現在談應用還為時尚早。」
溫度也是實現量子反常霍爾效應的眾多苛刻條件中的一個。「目前，這個效應需要在一個抑制了熱擾動的純淨實驗環境中才能觀察到。」項目組成員、中科院物理所研究員呂力告訴記者，該實驗成功時溫度接近絕對零度。
「下一步我們主要的努力方向是全面測量材料在極低溫下的電子結構和輸運性質，尋找更好的材料體系，在更高的溫度下實現這一效應。那時，也許我們能對其應用前景作更好的判斷。」王亞愚表示。
《中國科學報》 (2013-03-18 第1版 要聞)