霍爾效應的研究前景

整數量子霍爾效應的機制已經基本清楚，而仍有一些科學家，如馮·克利青和紐約州立大學石溪分校的V·J·Goldman，還在做一些分數量子效應的研究。一些理論學家指出分數量子霍爾效應中的某些平臺可以構成非阿貝爾態（Non-Abelian States），這可以成為搭建拓撲量子計算機的基礎。

石墨烯中的量子霍爾效應與一般的量子霍爾行為大不相同，稱為異常量子霍爾效應(Anomalous Quantum Hall Effect)。此外，Hirsh、張首晟等提出自旋量子霍爾效應的概念,與之相關的實驗正在吸引越來越多的關注。  

中國科學家發現量子反常霍爾效應

《科學》雜志在線發文，宣布中國科學家領銜的團隊**在實驗上發現量子反常霍爾效應。這一發現或將對信息技術進步產生重大影響。

這一發現由清華大學教授、中國科學院院士薛其坤(原曲阜師范大學物理工程學院教師）領銜，清華大學、中國科學院物理所和斯坦福大學的研究人員聯合組成的團隊歷時4年完成。在美國物理學家霍爾1880年發現反常霍爾效應133年后，終于實現了反常霍爾效應的量子化，這一發現是相關領域的重大突破，也是世界基礎研究領域的一項重要科學發現。

美國科學家霍爾分別于1879年和1880年發現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，這兩項成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎。

由中國科學院物理研究所和清華大學物理系的科研人員組成的聯合攻關團隊，經過數年不懈探索和艱苦攻關，成功實現了“量子反常霍爾效應”。這是國際上該領域的一項重要科學突破，該物理效應從理論研究到實驗觀測的全過程，都是由我國科學家獨立完成。

量子霍爾效應是整個凝聚態物理領域*重要、*基本的量子效應之一。它是一種典型的宏觀量子效應，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個**體現。1980年，德國科學家馮·克利青(Klaus von Klitzing)發現了“整數量子霍爾效應”，于1985年獲得諾貝爾物理學獎。1982年，美籍華裔物理學家崔琦(Daniel CheeTsui)、美國物理學家施特默(Horst L. Stormer)等發現“分數量子霍爾效應”，不久由美國物理學家勞弗林(Rober B. Laughlin)給出理論解釋，三人共同獲得1998年諾貝爾物理學獎。在量子霍爾效應家族里，至此仍未被發現的效應是“量子反常霍爾效應”——不需要外加磁場的量子霍爾效應。

“量子反常霍爾效應”是多年來該領域的一個非常困難的重大挑戰，它與已知的量子霍爾效應具有完全不同的物理本質，是一種全新的量子效應;同時它的實現也更加困難，需要精準的材料設計、制備與調控。1988年，美國物理學家霍爾丹(F. Duncan M. Haldane)提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，但是多年來一直未能找到能實現這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。  

2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領的團隊與張首晟教授等合作，從理論與材料設計上取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓撲絕緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機制，能形成穩定的鐵磁絕緣體，是實現量子反常霍爾效應的*佳體系[Science，329, 61(2010)]。他們的計算表明，這種磁性拓撲絕緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強度下，即處在“量子反常霍爾效應”態。該理論與材料設計的突破引起了國際上的廣泛興趣，許多世界**實驗室都爭相投入到這場競爭中來，沿著這個思路尋找量子反常霍爾效應。

在磁性摻雜的拓撲絕緣體材料中實現“量子反常霍爾效應”，對材料生長和輸運測量都提出了極高的要求：材料必須具有鐵磁長程有序;鐵磁交換作用必須足夠強以引起能帶反轉，從而導致拓撲非平庸的帶結構;同時體內的載流子濃度必須盡可能地低。中科院物理所何珂、呂力、馬旭村、王立莉、方忠、戴希等組成的團隊和清華大學物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團隊合作攻關，在這場國際競爭中顯示了雄厚的實力。他們克服了薄膜生長、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，并在極低溫輸運測量裝置上成功地觀測到了“量子反常霍爾效應”。該結果于2013年3月14日在Science上在線發表，清華大學和中科院物理所為共同**作者單位。

該成果的獲得是我國科學家長期積累、協同**、集體攻關的一個成功典范。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“**杰出科學家獎”、“**杰出科技成就集體獎”和“中國科學院杰出科技成就獎”，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。該工作得到了中國科學院、科技部、國家自然科學基金委員會和教育部等部門的資助。

量子反常霍爾效應　將為我們帶來什么

與量子霍爾效應相關的發現之所以屢獲學術大獎，是因為霍爾效應在應用技術中特別重要。人類日常生活中常用的很多電子器件都來自霍爾效應，僅汽車上廣泛應用的霍爾器件就包括：信號傳感器、ABS系統中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負載的電流檢測及工作狀態診斷、發動機轉速及曲軸角度傳感器等。

此次中國科學家發現的量子反常霍爾效應也具有極高的應用前景。量子霍爾效應的產生需要用到非常強的磁場，因此至今沒有廣泛應用于個人電腦和便攜式計算機上——因為要產生所需的磁場不但價格昂貴，而且體積大概要有衣柜那么大。而反常霍爾效應與普通的霍爾效應在本質上完全不同，因為這里不存在外磁場對電子的洛倫茲力而產生的運動軌道偏轉，反常霍爾電導是由于材料本身的自發磁化而產生的。

如今中國科學家在實驗上實現了零磁場中的量子霍爾效應，就有可能利用其無耗散的邊緣態發展新一代的低能耗晶體管和電子學器件，從而解決電腦發熱問題和摩爾定律的瓶頸問題。這些效應可能在未來電子器件中發揮特殊作用：無需高強磁場，就可以制備低能耗的高速電子器件，例如極低能耗的芯片，進而可能促成高容錯的全拓撲量子計算機的誕生——這意味著個人電腦未來可能得以更新換代。