获奖的量子反常霍尔效应到底有多牛

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量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域中最重要和最基本的量子效应之一。这是典型的宏观量子效应，是微观电子世界在宏观尺度上量子行为的完美体现。量子霍尔效应在凝聚态物理研究中起着极其重要的作用。它就像一个丰富的矿井。一代又一代的科学家对此着迷，并致力于此。他们的成就多次获得诺贝尔物理学奖。然而，在量子霍尔效应家族中也有一种不需要外部磁场的量子霍尔效应——“量子反常霍尔效应”。

2013年3月14日，美国杂志《科学》在网上发表了一项研究成果。由中国科学院物理研究所和清华大学物理系组成的团队合作解决了一些关键问题。经过近四年的研究，用分子束外延方法生长了高质量的掺铬(铋、锑)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜。在超低温输运测量装置上成功观测到量子反常霍尔效应，在物理领域引起了巨大反响。著名物理学家、诺贝尔奖获得者杨振宁称赞他是诺贝尔奖获得者。

2013年4月12日，《科学》杂志在“展望”专栏发表了美国新泽西州立大学物理与天文系教授吴顺石的文章《完整的量子霍尔家庭三重奏》，评论了量子反常霍尔效应的发现等。(照片来源:科学)

那么，什么是量子反常霍尔效应？为什么对它的研究引起了全世界科学家的兴趣？它的发现有什么意义？

电子通常以不规则的运动状态存在于自然界中，因此在电流传输中会有能量损失。霍尔效应可以成功地阻止电子四处奔跑，限制电子向一侧流动。然而，科学家发现，在一种特殊的磁性掺杂的拓扑绝缘体中，即使没有外部磁场，也可以观察到霍尔效应。零磁场中的霍尔效应是反常的霍尔效应。

上述成就中提到的拓扑绝缘体是一种神奇的物质，它有绝缘体的心，但被导体的外皮所覆盖。它具有优异的性能，可能会给当前的电子技术带来革命性的影响，特别是量子反常霍尔效应的发现，使其应用前景非常诱人。

金属、绝缘体和拓扑绝缘体之间的关系(图片来源:中国科学博览会)

该研究团队首次通过理论计算预测了新的第二代拓扑绝缘子材料体系Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3，并对其性能进行了深入研究。2010年，科学研究小组从理论上提出，掺铬或铁磁性离子的拓扑绝缘体Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3是实现量子反常霍尔效应的最佳系统。2013年，他们克服了薄膜生长、磁掺杂、栅压控制、低温输运测量等诸多困难，制备了高质量的拓扑绝缘体磁性薄膜。他们成功地观察到了量子反常霍尔效应，引起了巨大的轰动。

量子反常霍尔效应具有广阔的应用前景。当长时间使用计算机时，会遇到诸如计算机发热、能量损失、速度慢等问题，因为在正常情况下，芯片中的电子运动没有特定的轨迹，并且它们相互碰撞产生能量损失。量子霍尔效应可以使电子在各自的跑道上“向前和向后”移动，但是它的产生需要非常强的磁场，这相当于增加10个计算机大小的磁铁。它体积庞大，价格昂贵，显然不适合个人电脑和便携式电脑。量子反常霍尔效应的美妙之处在于它可以实现电子的有序运动，而不需要任何外部磁场，并且更容易应用于人们日常需要的电子器件。

量子反常霍尔效应可以解决未来摩尔定律的瓶颈问题。它的发现将带来下一次信息技术革命。中国科学家为我们国家在这场信息革命中的战略制高点而战。

(本文中显示的图片均经过授权)