量子反常霍爾效應(yīng),對(duì)普通人來說,拗口而晦澀。但在物理學(xué)家眼中,它''神奇''又''美妙''。因?yàn)?strong>它的發(fā)現(xiàn)可能帶來下一次信息技術(shù)革命。采用這種技術(shù)設(shè)計(jì)集成電路和元器件,千億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)有望做成平板電腦那么大,智能手機(jī)的內(nèi)存可能會(huì)提高上千倍！

那么什么是量子反?；魻栃?yīng)？它到底有多反常？對(duì)它的研究為什么引起世界各國科學(xué)家的興趣？

在普通導(dǎo)體中，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡雜亂無章，不斷發(fā)生碰撞。當(dāng)在導(dǎo)體兩端加上電極之后，電子就會(huì)形成橫向漂移的穩(wěn)定電流。而電流在傳輸中會(huì)存在能量損耗的現(xiàn)象。

如果在垂直于電流方向加上外磁場(chǎng)，材料里的電子由于磁場(chǎng)的作用力，會(huì)在導(dǎo)體一邊形成積累電荷，最終會(huì)達(dá)到平衡形成穩(wěn)定的霍爾電壓。

當(dāng)外場(chǎng)足夠強(qiáng)，溫度足夠低時(shí)，導(dǎo)體中間的電子會(huì)在原地打轉(zhuǎn)，會(huì)在邊界上形成不易被外界干擾的半圓形導(dǎo)電通道，即量子霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)可以讓電子在各自的跑道上“一往無前”地運(yùn)動(dòng)，降低能量損耗。

（圖片來源：http://www.）

量子霍爾效應(yīng)在凝聚態(tài)物理的研究中占據(jù)著極其重要的地位。它就像一個(gè)富礦，一代又一代科學(xué)家為之著迷和獻(xiàn)身，整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)相繼獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

但是，在量子霍爾效應(yīng)家族里，一個(gè)神秘成員是“量子反?；魻栃?yīng)”——不需要外加磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)，遲遲沒有被人發(fā)現(xiàn)。

長時(shí)間使用計(jì)算機(jī)時(shí)，會(huì)遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題，這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動(dòng)沒有特定的軌道，它們相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為我們突破摩爾定律和集成電路的發(fā)展提供了一個(gè)全新的原理。這是物理學(xué)基本研究為未來工業(yè)界發(fā)展提供的嶄新道路。

但它的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，相當(dāng)于外加10個(gè)計(jì)算機(jī)大的磁鐵，這樣體積龐大且價(jià)格昂貴，顯然不適合個(gè)人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)。而量子反常霍爾效應(yīng)的美妙之處是不需要任何外加磁場(chǎng)，即可實(shí)現(xiàn)電子的有序運(yùn)動(dòng)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小?/span>

（圖片來源：http://qianyan./kjqy_zt/innoexpo2014/gclzhexy/index.html）

2010年左右，包括中國華人物理學(xué)家張首晟教授在內(nèi)的科學(xué)家，在理論上預(yù)言了一種叫做拓?fù)浣^緣體的新的材料，拓?fù)浣^緣體就是內(nèi)部絕緣、表面導(dǎo)電的拓?fù)洳牧希@些表面導(dǎo)電通道不受表面形貌、非磁雜質(zhì)等的影響，所以是很好的一維導(dǎo)體。如果在其中摻入磁性原子形成長程鐵磁序，這樣無需外加磁場(chǎng)，就能形成穩(wěn)定的基本沒有耗散的量子反常霍爾效應(yīng)。

如何用實(shí)驗(yàn)來證明上述理論呢？用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子反?；魻栃?yīng)的關(guān)鍵是制備出一種像石墨烯那樣，一層一層平整的納米材料。

（圖片來源：https://upload-images./upload_images/3390801-9d68ccd2108f9fc4.jpg）

量子反?；魻栃?yīng)對(duì)材料性質(zhì)的要求非?？量?，如同要求一個(gè)人同時(shí)具有短跑運(yùn)動(dòng)員速度、籃球運(yùn)動(dòng)員高度和體操運(yùn)動(dòng)員靈巧：材料能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦詮亩哂袑?dǎo)電的一維邊緣態(tài)；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反常霍爾效應(yīng)；材料體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而只有一維邊緣態(tài)參與導(dǎo)電。在實(shí)際材料中實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都具有相當(dāng)大的難度，而要同時(shí)滿足這三點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來講更是巨大挑戰(zhàn)，正因?yàn)榇?，美國、德國、日本等科學(xué)家未取得最后成功。

自2009年起，中國科學(xué)院院士薛其坤帶領(lǐng)由中科院物理研究所和清華大學(xué)物理系組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)向量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)發(fā)起沖擊。歷經(jīng)四年努力，團(tuán)隊(duì)生長和測(cè)量了1000多個(gè)樣品，利用分子束外延的方法生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi,Sb)₂Te₃拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，將其制備成輸運(yùn)器件，并在極低溫環(huán)境下對(duì)其磁電阻和反?；魻栃?yīng)進(jìn)行了精密測(cè)量。終于發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場(chǎng)中的反?；魻栯娮柽_(dá)到了量子霍爾效應(yīng)的特征值，世界難題得以攻克。