教育学术视窗 质上完全不同，反常霍尔效应是由于材料本身的自发磁化而 产生的，因此这是一个全新的量子效应，有可能是量子霍尔 量予反市窄尔效应世界难题 被我国科学家攻克 ——效应家族的最后一个重要成员。如果能在实验上实现零磁场 中的量子霍尔效应，利用其无耗散的边缘态发展新一代的低 能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和其它的 一些瓶颈问题，推动信息技术的进步。但反常霍尔效应的量 中国本土科学家可能首次获得诺贝尔奖 子化对材料性质的要求非常苛刻，美国、德国、日本等科学家 未取得最后成功。 霍云亮 （承德市教育局教研室，河北承德ｏ６７０ｏ０） 关键词：量子；反常霍尔效应；科学家 中图分类号：Ｇ６３３．７文献标识码：Ｄ 文章编号：１ ００９—０１ ０Ｘ（２０１ ３）０６—００８０—０１ ２０ｏ９年，清华大学薛其坤院士带领团队向量子反常霍尔 效应的实验实现发起冲击。 ２０１０年，中科院物理所的方忠、戴希理论团队与拓扑绝 缘体理论的开创者之一、斯坦福大学的张首晟等合作，提出了 实现量子反常霍尔效应的最佳体系。由清华大学的薛其坤、王 亚愚、陈曦、贾金锋研究组，与中科院物理所的马旭村、何珂、 王立莉研究组及吕力研究组组成的实验攻关团队合作，开始 ２０１３年３月１６日凌晨，由清华大学薛其坤院士领衔，清 华大学、中科院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的 向量子反常霍尔效应的实验发起冲击。截止到２０１３年的四年 中，团队生长和测量了１００Ｏ多个样品，利用分子束外延的方 法使之长出一层几纳米厚的薄膜，然后再掺进去铬离子，生 团队，历时４年完成的研究报告在《科学》杂志在线发表。这 项被３名匿名评审人给予高度评价的成果，是在美国物理学 家霍尔于１８８０年发现反常霍尔效应１３３年后，首次实现的 反常霍尔效应的量子化，也因此被视作“世界基础研究领域 的一项重要科学发现”。 一长了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜，将其制备成输运器 件并在几毫开的极低温度环境下对其磁电阻和反常霍尔效 应进行了精密测量。终于发现在一定的外加栅极电压范围 内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应 的特征值ｈ，ｅ２—２５８０ｏ欧姆，世界难题得以攻克。薛其坤院士 说：这是我们团队精诚合作、联合攻关的共同成果，是中国科 学家的集体荣誉。 三、量子反常霍尔效应的意义及发展前景 量子反常霍尔效应之所以如此重要，是因为效应可能在 、反常霍尔效应的前世 （一）霍尔效应 霍尔效应是美国物理学家霍尔于１８７９年发现的一个物 理效应。在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电 流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将产 生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电 压，这一现象就是霍尔效应。 霍尔效应在应用技术中非常重要，特别是在现代汽车上 广泛得到应用。 （二）量子霍尔效应 未来电子器件中发挥特殊作用，无需高强磁场，就可以制备 低能耗的高速电子器件，例如极低能耗的芯片——这意味着 计算机未来可能更新换代。 霍尔效应是诺贝尔奖的富矿。最近一次也是第三次与霍 尔效应有关的诺贝尔奖是２０１０年的诺贝尔物理奖。２００５年， 作为微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的完美体 现，量子霍尔效应（强磁场中，纵向电压和横向电流的比值随 着磁场增强而出现的量子化特点）一直在凝聚态物理研究中 占据着极其重要的地位。１９８０年左右，德国科学家冯・克利青 发现了整数量子霍尔效应，获得１９８５年诺贝尔物理学奖。 英国科学家安德烈・海姆和康斯坦丁・诺沃肖洛夫成功地在 实验中从石墨中分离出石墨烯，在常温下观察到量子霍尔效 应。他们于２０１０年获诺奖。石墨烯这种“超薄的碳膜”厚度只 有０．３３５纳米，是至今发现的厚度最薄和强度最高的材料。 此外，量子自旋霍尔效应于２ｏｏ７年被发现，２０１０年获得 欧洲物理奖，２０１２年获得美国物理学会巴克利奖。 ２０１３年３月１６日，《科学》杂志在线发文，宣布薛其坤院 士领衔的团队在实验上首次发现量子反常霍尔效应，而这被 １９８２年，美国物理学家崔琦和施特默等发现了分数量子霍尔 效应，这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出理论 解释，他们三人荣获１９９８年诺贝尔物理学奖。 量子霍尔效应在未来电子器件中发挥特殊的作用，可以 用于制备低能耗的高速电子器件。例如，如果把量子霍尔效 应引入计算机芯片，将会克服电脑的发热和能量耗散问题。 然而它需要的强磁场设备不但价格昂贵，而且体积庞大（衣 柜大小），也不适合于个人电脑和便携式计算机。 二、反常量子霍尔效应 认为有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员。 与量子霍尔效应相关的发现之所以屡获学术大奖，是因 为霍尔效应在应用技术中特别重要。人类日常生活中常用的 很多电子器件都来自霍尔效应，仅汽车上广泛应用的霍尔器 件就包括：信号传感器、ＡＢＳ系统中的速度传感器、汽车速度 表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测 及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器等。 １ ８８０年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，即使 不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效 应就是反常霍尔效应。反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本 【责任编辑张挂英】
