1879年，瑞典化学学家霍尔在研究金属的导电机制时发觉，带电粒子（比如电子）在磁场中运动时会遭到洛伦兹力的作用发生偏转，这么在磁场中的电压也有可能发生偏转。当电压垂直于外磁场通过半导体时，自旋发生偏转，在导体两端堆积电荷继而在导体内部形成电场，其方向垂直于电压和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力相平衡时，自旋不再偏转。而此时半导体的两端会产生电势差。
其中运动电荷在磁场中所遭到的力称为洛伦兹力，即磁场对运动电荷的斥力。我们在学校都学习过右手定则的方式，将右手掌摊平，让磁感线穿过掌心心，四指表示正电荷运动方向，则和四指垂直的大手指所指方向即为洛伦兹力的方向。但须注意，运动电荷是正的，大手指的指向即为洛伦兹力的方向。反之，假如运动电荷是负的，仍用四指表示电荷运动方向，这么大手指的指向的反方向为洛伦兹力方向。
而自旋指可以自由联通的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。霍尔的发觉后来被称为“霍尔效应”，这个电势差也被称为霍尔电势差。
简单来说，霍尔效应它定义了磁场和感应电流之间的关系。当电压通过一个坐落磁场中的导体的时侯，磁场会对导体中的电子形成一个纵向的斥力，因而在导体的两端形成电流差
其实这个效应多年前就早已被人们晓得并理解，但基于霍尔效应的传感在材料工艺获得重大进展前并不实用，直至出现了高硬度的恒定磁极和工作于小电流输出的讯号调节电路。按照设计和配置的不同，霍尔效应传感可以作为开/关传感或则线性传感，广泛应用于电力系统中。
霍尔效应示意图，作者Peo
人们根据霍尔效应开发的各类霍尔器件被广泛应用于精密测磁、自动化控制、通信、计算机、航空航天等工业部门和国防领域。
按精典霍尔效应理论，霍尔内阻RH(RH=U/I=K.B/d=B/nqd)应随B连续变化并随着n(氮化物含量)的减小而降低，然而到了1980年，知名化学学家冯·克里津从金属-氧化物-半导体场效应晶体管()发觉了一种新的量子霍尔效应。他在硅管上加两个电极，再把这个硅管放在强磁场和极高温下，发觉霍耳阻值随栅压变化的曲线上出现了一系列平台，与这种平台相应的霍尔内阻Rh=h/(ne2)，其中n是正整数1，2，3……。也就是说，这种平台是精确给定的，是不以材料、器件规格的变化而转移的。它们只是由基本数学常数h(普朗克常数)和e(电子电荷)来确定。
这被称为整数量子霍尔效应，后来科学家还发觉了分数量子霍尔效应。
当时，数学学者觉得不仅夸克一类的粒子之外，宇宙中的基本粒子所带的电荷皆为一个电子所带的电荷-e（e=1.6×10-19库伦）的整数倍。而夸克依其类别可带有±1e/3或±2e/3电荷。夸克在通常状况下反常霍尔效应，只能存在于原子核中，它们不像电子可以自由流动。所以化学学者并不期盼在普通凝体系统中，可以见到如夸克般带有分数电子电荷的粒子或迸发态。
然而在1982年，华人科学家崔琦和史特莫在二维电子系统中现了分数化的霍尔内阻平台。一开始是发觉了?和?两个平台。然后她们制造出了更纯的样品,更低的气温,更强的磁场.85mK和280kG,这是人类第一次在实验室中实现这么低的气温和这么强的磁场(地磁场是mG的量级).这样的实验技术令人叹为观止，她们也因而观察到了愈发丰富的结构:她们也因而观察到了愈发丰富的结构。她们的发觉由此被称为分数量子霍尔效应。
冯·克里津获得1985年诺贝尔化学学奖，而崔琦和史特莫则获得了1998年诺贝尔奖。到了2005年，美国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。她们俩在2005年发觉了石墨烯中的半整数量子霍尔效应，夺得2010年的诺贝尔化学学奖。
简单来说，量子霍尔效应通常都是在超高温和强磁场等极端条件下出现。在极端条件下，电子的偏转不再像普通霍尔效应中一样，而是显得更激化烈而且偏转直径显得很小，如同就在导体内部围绕着某点绕圈圈。也就是说，导体中间的部份电子被“锁住了”，要想导通电压只能走导体的边缘。
量子霍尔效应与霍尔效应最大的不同之处在于纵向电流对磁场的响应显著不同.纵向内阻是量子化的:
2018年12月18日，美国《自然》杂志刊载清华学院化学学系修发贤课题组的最新研究成果《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》，这也是中国科学家首次在三维空间中发觉量子霍尔效应。
后来，中国科技学院与其合作团队在《自然》刊登论文表示，她们通过实验验证了三维量子霍尔效应，并发觉了金属-绝缘体的转换。她们发觉，人们还能通过控制体温和外加磁场实现金属-绝缘体的转化。这些原理可以拿来制造“量子磁控开关”等电子元元件。三维量子霍尔效应材料中的电子迁移率都很快，电子能快速传输和响应，在红外侦测、电子载流子元件等方面拥有应用前景。再度，三维量子霍尔效应因具有量子化的导电特点，能够应用于特殊的自旋传输系统。
这个时侯，就要提到量子反常霍尔效应了，由于霍尔效应实现量子化，有着两个极端严苛的前提条件：一是须要十几万高斯的强磁场，而月球的磁场硬度才不过0.5高斯；二是须要接近于绝对零度的湿度。
在此背景下，科学家们又提出了一个构想：普通状态下的霍尔现象会出现反常，这么，量子化的霍尔现象是否也能出现反常？假如有，不是就可以解决外加高磁场的先决条件了吗？
也就是说量子反常霍尔效应它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化形成。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。
我们可以用一个简单的比喻，来说明量子霍尔效应和量子反常霍尔效应之间的关系，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。
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。”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。
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。因而量子反常霍尔现象也被称为数学学研究皇冠上的明珠。
量子反常霍尔效应实现十分困难，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。
2009年，薛其坤和他的团队也开始了对量子反常霍尔效应的攻坚之路，薛其坤在许多人的眼中，并不算是一个天才。
1963年，薛其坤出生江苏省沂蒙山区的一个小村子，家里兄弟姊妹比较多。读高中、中学时，农村条件还相对落后，大人们都在为生计而努力。薛其坤也没有做哪些化学学家的梦，只是有书读那就读。后来，国家恢复中考的消息传来，薛其坤认为不能浪费这个机会，就开始用心迎战中考。
1980年，17岁的薛其坤考入湖南学院光学系，之所以选择光学系也是由于老师推荐了这个专业，对哪些专业都不懂的薛其坤依葫芦画瓢填了这个专业。1984年结业的薛其坤开始边工作边考研，结果考了三次才考上中科院化学所。1990年硕士结业以后，结果又花了7年时间才领到博士文凭。
薛其坤有个绰号，叫“7-11教授”。熟悉他的人都晓得，晚上7点进实验室，仍然干到中午11点离开，这样的作息，薛其坤坚持了20年。薛其坤觉得自己既然不是“天才”，那就做个“笨人”吧。做好一个“笨人”，才是不容易的。
从2009年，薛其坤团队经过近5年的研究，从拓扑绝缘体材料生长早期的成功，再到后期克服实验中的重重难关，薛其坤团队付出了常人无法想像的努力。但实验最终的成功与否，还要看一个标志性实验数据——在零磁场中，能够让磁性拓扑绝缘体材料的霍尔内阻跳变到25813欧姆的量子内阻值。
她们生长检测了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。这是首次在实验上发觉量子反常霍尔效应。
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，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。
近5年坚苦卓著的协同攻关，薛其坤团队克服薄膜生长、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句号。
《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十分重要的成就。”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。”
求科普：量子反常霍尔效应！！！
我们首先来看下哪些是量子霍尔效应：
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。
在一个通有电压的导体中，假若施加一个垂直于电压方向的磁场，因为洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将形成偏转，因而在垂直于电压和磁场方向的导体两端形成电流，这个电磁输运现象就是知名的霍尔效应。形成的纵向电流被称为霍尔电流，霍尔电流与施加的电压之比则被称为霍尔电阻。因为洛伦兹力的大小与磁场成反比，所以霍尔内阻也与磁场成线性变化关系。
1880年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发觉，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。
举例说明：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。“这就好比一辆中级跑车，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。”
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。”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。
评论：如今看明白了吧，量子霍耳效应和反常霍尔效应针对的是磁场对晶体管这类电子器件形成的热研究下来的解决办法，就是给电子的无规则运动轨迹套上个莲蓬头，这个莲蓬头就是外加磁场或则自身磁场，后者的优点是解决上去便捷，而且不能大型化实用化，可以专用。前者是自己形成磁场，不须要外加磁场，缺点是自身磁材料贵，目前来说也没有步入低温化、实用化，但前景可人！！！
来看超导：
人们把处实现超导的过程于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流内阻率在一定的高温下忽然消失，被叫做零内阻效应。导体没有了内阻，电压流经超导体时就不发生热耗损，电压可以毫无阻力地在导线中产生强悍的电压，因而形成强悍磁场。超导材料处于超导态时内阻为零，才能无耗损地传输电能。假如用磁场在超导环中引起感生电压，这一电压可以毫不衰减地维持下去。
BCS理论觉得：晶格的震动，称为声子()，使载流子和动量都相反的两个电子组成动量为零的库珀对，称为电声子交互作用，所以依照量子热学中物质波的理论，库珀对的波长很长以至于其可以绕开晶格缺陷杂质流动因而无阻挠地产生电压。巴丁、库珀、施里弗因而获得1972年的诺贝尔化学学奖。不过，BCS理论并未能成功的解释所谓第二类超导，或低温超导的现象。
本质区别：
固体材料中的自旋在外加磁场中运动时，由于遭到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏斜，并在材料一侧形成电荷积累，产生垂直于电压方向的电场，最终使自旋遭到的洛仑兹力与电场作用力相平衡反常霍尔效应，因而在左侧构建起一个稳定的电势差即霍尔电流。正交电场和电压硬度与磁场硬度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电压硬度之比就是阻值率。大量的研究阐明：出席材料导电过程的除了有带负电的电子，还有带正电的空穴。
虽然霍尔效应就是把路给电子让下来，让前面的电子在比较狭小的空间上面前进，不和其它电子碰撞因而损失能量形成热；而超导是材料在高温的时侯电子库伯对的波粒二象性的波动性促使电子对的流动绕开晶格障碍，本质上来说一个是促使电子在导体上面集中因而致使前面电子无障碍无碰撞，前者是高温的时侯绕开障碍，不形成内阻。
最后来说，霍尔效应有内阻不形成热量或则热量少，超导是没有内阻了
哪些是量子反常霍尔效应
与量子霍尔效应相关的发觉之所以屡获学术大奖，是由于霍尔效应在应用技术中非常重要。人类日常生活中常用的好多电子元件都来自霍尔效应，仅车辆上广泛应用的霍尔元件就包括：讯号传感、ABS系统中的速率传感、汽车速率表和里程表、液体化学量测量器、各种用电负载的电压测量及工作状态确诊、发动机怠速及连杆角度传感等。诸如用在车辆开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。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。而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，形成较大的电磁干扰讯号。采用功率霍尔开关电路就可以减少这种现象。这次中国科学家发觉的量子反常霍尔效应也具有极高的应用前景。量子霍尔效应的形成须要用到特别强的磁场，因而至今没有广泛应用于个人笔记本和便携式计算机上——因为要形成所需的磁场不但价钱高昂，但是容积大约要有家具这么大。而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。现在中国科学家在实验上实现了零磁场中的量子霍尔效应，就有可能借助其无耗散的边沿态发展新一代的低煤耗晶体管和电子学元件，进而解决笔记本发热问题和摩尔定理的困局问题。这种效应可能在未来电子元件中发挥特殊作用：无需高强磁场，就可以制备低煤耗的高速电子元件，比如极低煤耗的芯片，因而可能促使高容错的全拓扑量子计算机的诞生——这意味着个人笔记本未来可能得以更新换代。
哪些是反常霍尔效应
简单说来，在非铁磁材料中的霍尔效应中，内阻是和外加磁场有关的。而反常霍尔效应通常出现在铁磁性材料中，即内阻还和磁化硬度有关系。
量子反常霍尔效应是什莫意思？
要想明白量子反常霍尔效应，必须先明白霍尔效应，霍尔效应是指当电压垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电压方向的两个锥面之间会出现电势差，说白了就是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。”然而，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。”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。也就是说，量子反常霍尔效应是有霍尔效应改进过来的。
反常霍尔效应的霍尔效应
量子反常霍尔效应的最美妙之处就在于不须要任何外加磁场，人类有可能借助其无耗散的边沿态发展新一代的低煤耗晶体管和电子学元件，进而解决笔记本发热问题和摩尔定理的困局问题，因而，这项研究成果将会促进新一代的低煤耗晶体管和电子学元件的发展，可能加速推动信息技术革命的进程。
但反常霍尔效应的量子化对材料性质的要求十分严苛，就像要求一个人同时具有田径运动员速率、篮球运动员高度和举重运动员灵巧：材料能带结构必须具有拓扑特点因而具有导电的一维边沿态；材料必须具有长程铁磁序因而存在反常霍尔效应；材料体内必须为绝缘态因而只有一维边沿态参与导电。在实际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更是巨大挑战，正由于此，英国、德国、日本等科学家未取得最后成功。被视作“有可能是量子霍尔效应家族最后一个重要成员”的量子反常霍尔效应，被中国科学家首次在实验上独立观测到。2013年3月16日下午，由复旦学院薛其坤教授领衔，复旦学院、中科院化学所和哈佛学院的研究人员联合组成的团队，耗时4年完成的研究报告在《科学》杂志在线发表。这项被3名匿名评审人给与高度评价的成果，是在日本化学学家霍尔于1880年发觉反常霍尔效应133年后，首次实现的反常霍尔效应的量子化，也因而被视作“世界基础研究领域的一项重要科学发觉”。
作为微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的完美彰显，量子霍尔效应仍然在汇聚态化学研究中抢占着十分重要的地位。自德国科学家霍尔分别于1879年和1880年发觉霍尔效应和反常霍尔效应以后，不少科学家凭着在此领域的重要发觉夺得大奖。1980年，美国科学家冯・克利青发觉整数量子霍尔效应，于1985年获得诺贝尔化学学奖。1982年，法籍日裔数学学家崔琦、德国化学学家施特默等发觉了分数量子霍尔效应，这个效应不久由另一位德国化学学家劳弗林给出理论解释，两人共同分享了1998年诺贝尔化学奖。
而这次中国科学家发觉的量子反常霍尔效应由于不须要外加磁场，成为多年来该领域一个十分困难的重大挑战。首先，它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的化学本质，是一种全新的量子效应；其次，它的实现也愈加困难，须要精准的材料设计、制备与调控。因而，这项全新突破也被视作“有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员”。
自2009年起，北大学院薛其坤教授率领团队向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。截至到2013年的四年来，团队生长和检测了1000多个样品，借助分子束外延的方式生长了高质量的磁性参杂拓扑绝缘体薄膜，将其制备成输运元件并在极高温环境下对其磁内阻和反常霍尔效应进行了精密检测。总算发觉在一定的外加基极电流范围内，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。
“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。”薛其坤教授指出说。