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▲量子反常霍尔效应示意图。 拓扑上非平凡的能带结构产生手性边缘态，从而导致量子反常霍尔效应。
磁拓扑绝缘体多层薄膜的理论计算能带结构及相应的霍尔电导
“这项研究成果是中国实验室首次发表诺贝尔物理学奖级别的论文。这不仅是清华大学和中科院的喜事，也是我国物理学发展的喜事。”整个国家。” 4月10日，诺贝尔物理学奖获得者、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授高度评价中国科学家的重大发现——量子反常霍尔效应。
由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队首次实验观测到量子反常霍尔效应。 美国《科学》杂志3月14日在线发表了这项研究成果。由于此前与量子霍尔效应相关的科研成果已获得三项诺贝尔奖，学术界不少人士对这项研究给予了极高的关注和期待。可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员。 那么什么是量子反常霍尔效应呢？ 其研究为何引起世界各国科学家的兴趣？ 它的发现有何意义？
重要性
突破摩尔定律瓶颈，加速信息技术革命进程
在了解量子反常霍尔效应之前，我们先来了解一下量子霍尔效应。 量子霍尔效应是德国科学家于1980年发现的，是整个凝聚态物理领域最重要、最基础的量子效应之一。 其应用前景十分广阔。
薛其坤院士举了一个简单的例子：我们在使用电脑的时候，会遇到电脑发热、能量损耗、速度变慢等问题。 这是因为在正常情况下，芯片中的电子不会在特定轨道上运动而相互碰撞，从而导致能量损失。 量子霍尔效应可以为电子的运动制定规则，让它们在各自的跑道上“无情地”前进。 “这就像一辆高端跑车霍尔美国物理学家霍尔美国物理学家，正常情况下，它是在拥挤的农贸市场中前行，但在量子霍尔效应下，它可以在‘我行我素、互不干扰’的高速公路上前行。” ”薛其坤说道。 形象隐喻。
然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，“相当于添加10块电脑大小的磁铁。这不仅体积大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式电脑。” 薛其坤表示，而量子反常霍尔效应霍尔效应的美妙之处在于它不需要任何外部磁场。 量子霍尔态可以在零磁场下实现，使其更容易应用于人们日常所需的电子设备中。
自1988年以来，理论物理学家不断提出各种解决方案，但始终没有取得实验进展。 2006年，斯坦福大学张首晟教授领导的理论小组成功预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008年指出了在磁掺杂拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的方法。 新方向。 2010年，中国理论物理学家方忠、戴曦等人与张首晟教授合作英语作文，提出磁掺杂三维拓扑绝缘体可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳系统。 该计划引起了国际学术界的广泛关注。 德国、美国、日本等许多世界一流的研究小组遵循这一思路，通过实验寻找量子反常霍尔效应，但尚未取得突破。
经过近4年的研究，薛其坤团队已经培养并测量了1000多个样本。 最后，他们采用分子束外延方法生长了高质量的Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。
“量子反常霍尔效应可以解决未来摩尔定律的瓶颈问题，它的发现可能会带来下一次信息技术革命，中国科学家在这场信息革命中争夺了国家的战略制高点。” 拓扑绝缘体领域的先驱者之一1.清华大学特聘专家张首晟教授表示。
创新性
让实验材料同时拥有“速度、高度、灵巧”
从1988年美国物理学家霍尔丹提出可能存在不需要外加磁场的量子霍尔效应，到中国科学家为这一预言做出完美结论，已经过去了20多年。 研究团队成员、中科院物理研究所副研究员何克告诉记者：“量子反常霍尔效应的实现难度很大，需要精确的材料设计、制备和控制。尽管多年来各国科学家提出了几种不同的方法来实现它，但所需的材料和结构非常难以制备，因此实验进展缓慢。”
“这就像要求运动员同时具备刘翔的速度、姚明的身高、郭晶晶的灵巧程度，在实际材料中要达到以上任何一点都是相当困难的，而且对于实验物理学家来说很难同时满足这三点，这是一个巨大的挑战。” 研究团队成员、清华大学王亚宇教授介绍了该实验对材料的严格要求。
实验中，材料必须是铁磁性的，才会存在反常霍尔效应； 材料的能带结构必须具有拓扑性质，使其具有导电的一维边缘态，即一维导电沟道； 材料本体必须处于绝缘状态，这样才不会产生传导阻力。 在任何贡献中，只有一维边缘态参与传导。
2010年，研究团队完成了厚度为1纳米至6纳米（人类头发丝厚度的万分之一）薄膜的生长和输运测量，并获得了系统结果，使得测量准二元薄膜的生长成为可能。三维超薄膜。 。
2011年，研究团队实现了对拓扑绝缘体能带结构的精确控制，使大块材料成为真正的绝缘体，并消除了其对输运性能的影响。
2012年初，研究小组在准二维体绝缘拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性，并利用外栅电压原位精确控制其电子结构。
2012年10月，研究团队终于发现，在一定的施加栅极电压范围内，这种材料在零磁场下的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2-25800欧姆——世界难题已解决捕获。
研究团队克服了薄膜生长、磁掺杂、栅极电压控制、低温输运测量等诸多难点，逐步实现了拓扑绝缘体电子结构、长程铁磁有序度、能带拓扑的精确控制。 ，最终实现这一目标。 一个物理现象的实现就此完美结束。
“我们下一步主要是综合测量材料在极低温度下的电子结构和输运特性，并寻找更好的材料系统在更高温度下实现这种效果。到时候，也许我们可以对应用前景做出更好的判断，”王亚宇告诉记者。
外部评论
这是凝聚态物理领域的里程碑式的工作
“实验结果出来后，量子霍尔效应的发现者给我发了一封电子邮件，他写道：我坚信拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应是科学皇冠上的明星。” 张首晟向记者展示了这封信。
《科学》杂志的一位评论家说：“这项工作毫无疑问地证实了单通道边缘态的存在，其来源与普通量子霍尔效应不同。我认为这是凝聚态物理中一个非常重要的项目。” 另一位审稿人表示：“这篇文章结束了多年来对没有朗道能级的量子霍尔效应的探索。这是一篇具有里程碑意义的文章。”