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。今天凌晨，由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中科院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队，历时4年完成的研究报告在《科学》杂志在线发表。这项被3名匿名评审人给予高度评价的成果，是在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后，首次实现的反常霍尔效应的量子化，也因此被视作“世界基础研究领域的一项重要科学发现”。
清华大学薛其坤院士
作为微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的完美体现，量子霍尔效应一直在凝聚态物理研究中占据着极其重要的地位。自美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应之后，不少科学家凭借在此领域的重要发现斩获大奖。1980年，德国科学家冯・克利青发现整数量子霍尔效应，于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年，美籍华裔物理学家崔琦、美国物理学家施特默等发现了分数量子霍尔效应，这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出理论解释，三人共同分享了1998年诺贝尔物理奖。
而此次中国科学家发现的量子反常霍尔效应因为不需要外加磁场，成为多年来该领域一个非常困难的重大挑战。首先，它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质，是一种全新的量子效应；其次，它的实现也更加困难，需要精准的材料设计、制备与调控。因此，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”。
据介绍，量子霍尔效应的重要性在于它可能在未来电子器件中发挥特殊的作用，用于制备低能耗的高速电子器件，从而推动信息技术的进步。然而，由于普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场（通常需要的磁场强度是地磁场的几万倍甚至几十万倍），应用起来十分昂贵和困难；而且其体积庞大（衣柜大小）也不适合于个人电脑和便携式计算机。
而量子反常霍尔效应的最美妙之处就在于不需要任何外加磁场，人类有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题，因此，这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进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非常苛刻，如同要求一个人同时具有短跑运动员速度、篮球运动员高度和体操运动员灵巧：材料能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态；材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应；材料体内必须为绝缘态从而只有一维边缘态参与导电。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物理学家来讲更是巨大挑战，正因为此，美国、德国、日本等科学家未取得最后成功。
自2009年起，清华大学薛其坤院士带领团队向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。四年来，团队生长和测量了1000多个样品，利用分子束外延的方法生长了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜，将其制备成输运器件并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~25800欧姆世界难题得以攻克。
“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。”薛其坤院士强调说。
延伸阅读
霍尔效应与反常霍尔效应
霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一个物理效应。在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压，这个电磁输运现象就是著名的霍尔效应。产生的横向电压被称为霍尔电压，霍尔电压与施加的电流之比则被称为霍尔电阻。由于洛伦兹力的大小与磁场成正比，所以霍尔电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现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种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，因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转。反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的，因此是一类新的重要物理效应。来自清华大学、中科院物理所的科学家团队首次实验观测到了“量子反常霍尔效应”。这一成果昨天在美国《科学》杂志发表。这一发现可被用于发展新一代低能耗晶体管和电子学器件，进而推动信息技术的进步。此前，整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应的发现者都分别获得了诺贝尔物理奖，而量子反常霍尔效应被认为可能是霍尔效应家族的最后一个重要成员。
2010年，中科院物理所的方忠、戴希理论团队与拓扑绝缘体理论的开创者之一、斯坦福大学的张首晟等合作，提出了实现量子反常霍尔效应的最佳体系。由清华大学的薛其坤、王亚愚、陈曦、贾金锋研究组，与中科院物理所的马旭村、何珂、王立莉研究组及吕力研究组组成的实验攻关团队与之合作，开始向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。经过近3年努力，终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中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。
一位团队成员科学家告诉记者，他们的实验历经坎坷：首先他们生长了超过1000个样品，使之长出一层几纳米厚的薄膜，然后再掺进去铬离子，还要实现一个有序的铁磁状态，最终在极低温的装置上进行测量。据了解，由于量子反常霍尔效应的重大意义，近年来，美国、德国、日本的科学家都在做同样的事，竞争非常激烈。“依靠我们的优秀理论基础、艰苦实验、团结合作和百折不挠，我们走在了前面。”这位科学家向记者透露，昨天成果在《科学》杂志上发表后，已经有外国科学家向他们的中国同行表达了祝贺。至于这些中国科学家的自我庆祝方式，“就是彼此发了祝贺的电子邮件”。
量子反常霍尔效应之所以如此重要，是因为这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用，无需高强磁场，就可以制备低能耗的高速电子器件，例如极低能耗的芯片----这意味着计算机未来可能更新换代。
霍尔效应：诺贝尔奖的富矿
霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一个物理效应。在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压，这个电磁输运现象就是着名的霍尔效应。次年，霍尔又在磁性金属中发现了无需外部磁场的霍尔效应，称为反常霍尔效应。
从那时起，霍尔效应就像一个富矿，一代又一代科学家为之着迷和献身，他们的成就也多次获得诺贝尔物理奖。
1980年左右，德国科学家冯・克利青发现了整数量子霍尔效应，获得1985年诺贝尔物理奖。
1982年，美籍华人物理学家崔琦和施特默等发现了分数量子霍尔效应，这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出理论解释，他们三人荣获1998年诺贝尔物理奖。
最近一次与霍尔效应有关的诺贝尔奖是2010年的诺贝尔物理奖。2005年，英国科学家安德烈・海姆和康斯坦丁・诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，在常温下观察到量子霍尔效应。他们于2010年获诺奖。石墨烯这种“超薄的碳膜”厚度只有0.335纳米，是至今发现的厚度最薄和强度最高的材料。
此外，量子化自旋霍尔效应于2007年被发现，2010年获得欧洲物理奖，2012年获得美国物理学会巴克利奖。
2013年3月15日，《科学》杂志在线发文，宣布薛其坤院士领衔的团队在实验上首次发现量子反常霍尔效应，而这被认为有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员。
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