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▲量子反常霍尔效应的示意图，拓扑非乏味的能带结构形成具有手征性的边沿态，因而造成量子反常霍尔效应
理论估算得到的磁性拓扑绝缘体多层膜的能带结构和相应的霍尔浊度
“这个研究成果是从中国实验室里，第一次发表下来了诺贝尔化学奖级别的论文，这除了是复旦学院、中科院的喜事，也是整个国家发展中喜事。”4月10日，诺贝尔化学奖得主、清华学院高等研究院名誉教授杨振宁院长高度评价了我国科学家的重大发觉——量子反常霍尔效应。
由复旦学院薛其坤教授领衔、清华学院数学系和中科院化学研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。英国《科学》杂志于3月14日在线发表这一研究成果。因为此前和量子霍尔效应有关的科研成果早已3获诺贝尔奖，学术界好多人士对这项“可能是量子霍尔效应家族最后一个重要成员”的研究给与了极高的关注和期望。这么哪些是量子反常霍尔效应？对它的研究为何造成世界各国科学家的兴趣？它的发觉有哪些重大意义？
重要性
突破摩尔定理困局加速推进信息技术革命进程
在认识量子反常霍尔效应之前，让我们先来了解一下量子霍尔效应。量子霍尔效应，于1980年被英国科学家发觉，是整个汇聚态化学领域中重要、最基本的量子效应之一。它的应用前景十分广泛。
薛其坤教授举了个简单的事例：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、相互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“一往无前”地前进。“这就好比一辆中级街车，常态下是在拥挤的农贸市场上前进，而在量子霍尔效应下，则可以在‘各行其道、互不干扰’的高速路上前进。”薛其坤打了个形象的比喻。
但是，量子霍尔效应的形成须要特别强的磁场，“相当于外加10个计算机大的吸铁石，这不但容积庞大，并且价钱高昂，不适宜个人笔记本和便携式计算机。”薛其坤说，而量子反常霍尔效应的美妙之处是不须要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子元件中。
自1988年开始，就不断有理论化学学家提出各类方案，但是在实验上没有取得任何进展。2006年,英国普林斯顿学院张首晟院士领导的理论组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、戴希等与张首晟院士合作，提出磁性参杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案导致了国际学术界的广泛关注。日本、美国、日本等有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。
薛其坤团队经过近4年的研究，生长检测了1000多个样品。最终，她们借助分子束外延方式，生长出了高质量的Cr参杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极高温输运检测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在未来解决摩尔定理困局问题，它发觉或将带来下一次信息技术革命，我国科学家为国家角逐了这场信息革命中的战略制高点。”拓扑绝缘体领域的开创者之一、清华学院特聘专家张首晟院士说。
创新性
让实验材料同时具备“速度、高度和灵巧度”
从日本化学学家霍尔丹于1988年提出可能存在不须要外磁场的量子霍尔效应，到我国科学家为这一预言画上完美句号，中间经过了20多年。课题组成员、中科院化学所副研究员何珂告诉记者：“量子反常霍尔效应实现特别困难，须要精准的材料设计、制备与调控。虽然多年来各国科学家提出几种不同的实现途径，但所需的材料和结构十分无法制备，因而在实验上进展平缓。”
“这就好似要求一个运动员同时具有刘翔的速率、姚明的高度和郭晶晶的灵巧度。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度，而要同时满足这三点对实验化学学家来讲是一个巨大的挑战。”课题组成员、清华学院王亚愚院长这样描述实验对材料要求的严苛程度。
实验中，材料必须具有铁磁性因而存在反常霍尔效应；材料的能带结构必须具有拓扑特点因而具有导电的一维边沿态，即一维导电通道；材料的体内必须为绝缘态因而对导电没有任何贡献，只有一维边沿态参与导电。
2010年，课题组完成了对1纳米到6纳米（毛发丝粗细的万分之一）长度薄膜的生长和输运检测，得到了系统的结果反常霍尔效应反常霍尔效应，因而促使准二维超薄膜的生长检测成为可能。
2011年，课题组实现了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控，致使其体材料成为真正的绝缘体，去不仅其对输运性质的影响。
2012年初，课题组在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性，并借助外加基极电流对其电子结构进行原位精密调控。
2012年10月，课题组总算发觉在一定的外加集电极电流范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔内阻达到了量子霍尔效应的特点值h/e2—25800欧姆——世界困局得以攻破。
课题组克服薄膜生长、磁性参杂、门电流控制、低温输运检测等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，最终为这一化学现象的实现画上了完美的句号。
“下一步我们主要的努力方向是全面检测材料在极高温下的电子结构和输运性质，找寻更好的材料体系，在更高的气温下实现这一效应。那时，其实我们能对其应用前景作更好的判别。”王亚愚告诉记者。
外界评说
这是汇聚态化学界一项里程碑式的工作
“实验成果下来之后，量子霍尔效应的发觉者给我发了一封电邮。他写道：我坚信拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应是科学王冠上的名星。”张首晟向记者展示了这封电邮。
《科学》杂志的一位审稿人说：“这项工作毫无疑惑地否认了与普通量子霍尔效应不同来源的单通道边沿态的存在。我觉得这是汇聚态化学学一项特别重要的成就。”另一位审稿人说：“这篇文章结束了多年来对无朗道基态的量子霍尔效应的追寻。这是一篇里程碑式的文章。”
