刘林森
中世纪的西欧，大科学家伽利略在汉堡斜塔成功地完成了自由落体实验，进而否定了唐代大学者亚里士多德关于物体降落的速度和该物的重量成反比关系的理论，由此蜚声于世。19世纪的法国数学学家霍尔，同样怀疑和推翻了美国化学学家、电磁学权威麦克斯韦关于某一电磁现象的论断，经过坚苦的探求和实验，“霍尔效应”问世了。新闻界将霍尔的成功誉为“过去50年中电学领域最重要的发觉”。
霍尔学院结业后在韩国南部的田纳西当了三年小学教员，于1877年考入霍普金斯的研究生院，师从罗兰院长攻读化学。在罗兰开办的课程中，麦克斯韦的《电磁学》被指定为教科书。当他读这本书时，对麦克斯韦的一段阐述倍感诧异，并进一步形成了怀疑。麦克斯韦在他的《电磁学》中写道：“在导线中流动的电压本身完全不受附近吸铁石或其他电压的影响……”霍尔工作学习既很认真，又不纯粹为权威和书本所禁锢。当他阅读到这句话时，凭直觉倍感虽然和普通的数学知识相矛盾。不久，他又读了美国化学学家埃德崇信院士的一篇文章，文中明晰地假设：“电流受吸铁石的作用，恰如载流导线受吸铁石的作用一样。”霍尔发觉这两个学术权威的论据不一致，相信哪一位呢？既不迷信权威，又有探求精神的霍尔决心解开这个科学之谜。他在罗兰院士的支持鼓励下，进行了多次实验，经受了多次失败后，最终霍尔发觉通过金箔条的电压在磁场里形成一个电势，其方向与电压和磁场垂直。这个效应后来以它的发觉者的名子命名为“霍尔效应”，当时霍尔仅24岁。
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步入量子热学领域
常年以来“霍尔效应”被广泛用于电子元元件的设计中，比如在车辆开关电路上因为设计了功率霍尔电路获得了抑制电磁干扰的功能。由于车辆的手动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。车辆上有许多家具和家电件在开关时会形成浪涌电压，使机械式开关触点形成电弧，从而引起较大的电磁干扰讯号，而使用功率霍尔开关电路就可以避免这种现象的发生，因而保证车辆行驶的安全性。在发觉霍尔效应1年后的1880年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时又发觉，虽然不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这些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质上完全不同，由于这儿不存在外磁场对电子的洛伦兹力而形成的运动轨道偏转，反常霍尔浊度是因为材料本身的自发磁化而形成的，因而是一类新的重要化学效应。
100年后，“霍尔效应”被引入量子热学领域。1980年，美国科学家冯·克利青发觉整数量子霍尔效应。1982年，法国科学家崔琦和施特默发觉分数量子霍尔效应，这两项成果分别于1985年和1998年获得诺贝尔化学学奖。量子霍尔效应之所以这么重要，一方面是因为它们彰显了二维电子系统在高温强磁场极端条件下的奇妙量子行为；另一方面，这种效应可能在未来电子元件中发挥特殊的作用，有望通过开发低煤耗的高速电子元件进而推动新一轮信息技术革命。此前，在量子霍尔效应家族里尚未被发觉的效应是量子反常霍尔效应——不须要外加磁场的量子霍尔效应。
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最后一个重要成员
发觉量子反常霍尔效应是多年来该领域的一个极其困难的重大挑战，它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的化学本质，发觉这些全新的量子效应须要精准的材料设计、制备与调控，进而实现上去也更为困难。1988年，印度数学学家霍尔丹提出可能存在不须要外磁场的量子霍尔效应，而且多年来始终无法找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体的化学途径。中国科学家百折不挠，由复旦学院薛其坤教授领衔的科研团队在量子反常霍尔效应研究中总算取得了重大突破，她们从实验中首次观测到量子反常霍尔效应，这是数学学领域基础研究的一项重要科学发觉，由于量子反常霍尔效应被觉得可能是霍尔效应家族的最后一个重要成员。
常年以来的实践否认，量子霍尔效应的重要性在于它可能在未来电子元件中发挥特殊的作用。我们使用计算机的时侯，会碰到计算机发热、能量耗损、速度变慢等问题，这是由于常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道，会出现互相碰撞因而发生能量耗损。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制订一个规则，让它们在各自的跑道上毫无妨碍地前进。薛其坤教授用一个生动的比方诠释这个原理：“计算机芯片里电子的运动几乎是毫无规律，从晶体管的电极一端抵达另一端的时侯，如同从农贸市场的一端抵达另一端，将电子比喻成人的话，运动过程中总是无序，因而老是要走弯路，走弯路就要多耗能而导致发热，效率就不高，这是目前晶体管发热的重要诱因之一。量子霍尔的电子被这个效应定义了一个规则，有了这个规则，就不会像人在农贸市场里的运动那样零乱了，而是像行驶在高速道路上的车辆一样，根据规则有序进行。”
量子反常霍尔效应因为不须要外加磁场，因而在应用方面比此前发觉的那两种量子霍尔效应要便捷得多，可以促进新一代低煤耗晶体管和电子学元件的发展，从根本上解决芯片发热等问题。因而从理论研究和实验上实现量子反常霍尔效应，就成为世界汇聚态化学学家关注的焦点。自1988年开始，不断有理论化学学家提出各类解决方案，但在实验上都无法取得进展。2006年,英国耶鲁学院张首晟院长成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子载流子霍尔效应，并于2008年强调了在磁性参杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向。
2010年，我国理论化学学家方忠、戴希等与张首晟院长合作，提出磁性参杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子反常霍尔效应的最佳材料体系。这个方案导致了国际学术界的广泛关注。英国、美国、日本等多个世界一流的研究组顺着这个思路在实验上找寻量子反常霍尔效应，但仍然没有取得突破。最终中国科学家成功了，由薛其坤教授带领的团队经过近4年的研究，生长检测了1000多个样品，借助分子束外延方式，生长出了高质量的拓扑绝缘体。这是一种性能奇特的量子材料，既具有拓扑非乏味的绝缘性体电子结构，又具有受时间反演对称性保护的金属性表面态。随后她们又制备出不依赖于自旋类型和含量的铁磁性拓扑绝缘体薄膜，为发觉与理论预期相符的反常霍尔效应扫除了最后的障碍。
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跨越“摩尔定理”
20世纪人类取得的重大成就之一是计算机的发明。现在人类的工作、生活都已离不开计算机，但我们现今使用的计算机还处于大规模集成电路时代。近半个世纪以来，计算机的性能价钱比基本秉持着知名的“摩尔定理”：芯片的集成度和性能每18个月提升一倍。但是，随着半导体加工工艺的进步，人们预期在不远的将来半导体集成电路中晶体管的规格将达到10纳米的尺度，因此借助提升集成电路的密集度来降低估算能力将不太可能。怎么进一步提升估算能力，已是计算机发展面临的重大挑战。为此，欲使计算机持续更新换代，就必须跨越“摩尔定理”这个规则。自从发觉了量子之后，科学家对突破这个困局寄寓无限希望，由于量子的奇特化学特点突破了传统计算机的估算模式，足以让电子计算机运行速率实现质的突破，而量子反常霍尔效应的发觉更是在研发量子计算机的公路上跨出了关键的一步。
在现代计算机的二补码物理中，每位比特都是0或1。科学家构想，假如一行原子中的每位电子都可以同时在两个或两个以上的位置出现，我们就可以借助那些位置进行估算，指数的力量都会显示下来，而量子的特点就才能“分身有术”。我们假定一个量子比特，即量子位，还能同时代表两个值，这么联在一起的两个量子位就可以同时表示四个值，三个量子位能够同时表示八个值，以这种推。20个量子位就能同时表示的值将接近100万个。借助这些指数下降的力量，就可以解决任何以指数方式扩大的问题，而现实生活中有好多十分重要的实际须要都属于这种类型。诸如，目前我们还不能确切地预测气候、天彰显象或交通状况，也不能确切预测多种病毒是否会出现变异，由于这种问题涉及的变量数以及变量之间可能存在的互相作用对于目前最先进的计算机来说仍是个天文数字反常霍尔效应，但在量子计算机面前不过是小菜一碟，完全可以迎刃而解。
人类文明的美好展望
与量子霍尔效应相关的发觉之所以屡获学术大奖，是由于量子霍尔效应在应用技术中非常重要，国民经济和日常生活中好多高精确度电子元元件的设计原理都来自量子霍尔效应。量子霍尔效应在具体应用中的不足之处是，设备运行中须要形成相当硬度的磁场，因而至今没有广泛应用于个人笔记本和便携式计算机上，由于要形成所需的磁场不但投入成本高昂，并且设备容积还得有如家具这么大。因为量子反常霍尔效应具有不须要磁场这个重要特点，工程师就可以将元元件设计得十分小，完全能适用于低端手机、电脑以及其它领域。若果今后将形成量子反常霍尔效应的材料工作体温提升到日常气温范围反常霍尔效应，实际应用领域更将明显扩大，比如届时将出现超高速的电网，除了可实现高效输电，并且可大大节省能源和增加成本。
倘若让科学家们预测在大概20年后量子科学会给世界带来什么变化，她们的想像力都会疯狂地驰骋上去。最普遍的一项预测就是，人们会听到──准确地说，我们根本看不见——计算机无所不在，画在墙壁的、镶在沙发里的……还有植入你身体内部的，它们互相之间保持着不断的联络，并且须要的电力一点也不比从空中接收无线电频度多。更有科学家展望：“想象未来我们将不再使用便携式笔记本，也不再使用手机。我们会把它戴在头上。它弄成了一根发带。并且我们也不须要屏幕了，计算机会和左脑直接联接在一起。”因此可以说量子计算机将掀起一场划时代的科学革命，因为其强悍的估算能力，可以解决电子计算机无法或不能解决的问题，为人类提供一种性能强悍的新型模式的运算工具，大大提高人类剖析、解决问题的能力，将全方位急剧深化各领域的科学研究。可以说人类一旦把握了这些强悍的运算工具，人类文明将发展到崭新的时代。
量子科学蕴藏着巨大的经济、社会、军事价值，量子反常霍尔效应的发觉喻示新时代的将至。科学探求永无止境，未来要走的路还很长。目前的成就主要限制于量子反常霍尔效应只有在超高温条件下(绝对零度即零下273摄氏度以下)能够观察到，可以想像，一旦突破了体温的禁锢而在温度环境下做到这一点，这么制造出iPad平板笔记本大小的超级计算机将是水到渠成的事。展望未来，量子反常霍尔效应的发觉奏响了新一轮信息技术革命的挺进号，中国在实现这场信息革命上将做出宝贵的贡献。