量子反常霍爾效應 它的發現有什麼重大意義?

　　▲量子反常霍爾效應的示意圖，拓撲非平庸的能帶結構產生具有手徵性的邊緣態，從而導致量子反常霍爾效應

　　理論計算得到的磁性拓撲絕緣體多層膜的能帶結構和相應的霍爾電導

　　「這個研究成果是從中國實驗室裡，第一次發表出來了諾貝爾物理獎級別的論文，這不僅是清華大學、中科院的喜事，也是整個國家發展中喜事。」4月10日，諾貝爾物理獎得主、清華大學高等研究院名譽院長楊振寧教授高度評價了我國科學家的重大發現——量子反常霍爾效應。

　　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組成的實驗團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。美國《科學》雜誌於3月14日在線發表這一研究成果。由於此前和量子霍爾效應有關的科研成果已經3獲諾貝爾獎，學術界很多人士對這項「可能是量子霍爾效應家族最後一個重要成員」的研究給予了極高的關注和期望。那麼什麼是量子反常霍爾效應？對它的研究為什麼引起世界各國科學家的興趣？它的發現有什麼重大意義？

　　重要性

　　突破摩爾定律瓶頸加速推動信息技術革命進程

　　在認識量子反常霍爾效應之前，讓我們先來了解一下量子霍爾效應。量子霍爾效應，於1980年被德國科學家發現，是整個凝聚態物理領域中重要、最基本的量子效應之一。它的應用前景非常廣泛。

　　薛其坤院士舉了個簡單的例子：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。「這就好比一輛高級跑車，常態下是在擁擠的農貿市場上前進，而在量子霍爾效應下，則可以在『各行其道、互不幹擾』的高速路上前進。」薛其坤打了個形象的比喻。

　　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。」薛其坤說，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。

　　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。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。

　　薛其坤團隊經過近4年的研究，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。

　　「量子反常霍爾效應可在未來解決摩爾定律瓶頸問題，它發現或將帶來下一次信息技術革命，我國科學家為國家爭奪了這場信息革命中的戰略制高點。」拓撲絕緣體領域的開創者之一、清華大學「千人計劃」張首晟教授說。