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量子反常霍尔效应可能对信息革命产生深远的影响。

撰文：刘洋

3月15日凌晨，《科学》杂志在线发文，宣布中国科学家薛其坤领导的团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应。此前，整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应的发现者都已获得诺贝尔物理学奖，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。

1879年，美国物理学家霍尔发现，如果对一个通有电流的导体施加一个垂直于电流方向的磁场，电子会在洛仑兹力的作用下发生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压，这就是霍尔效应。其中，霍尔电压与霍尔电阻的比值为整数的量子化性质称为整数量子霍尔效应，为分数的称为分数量子霍尔效应。

次年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，霍尔效应还可以在不加外磁场的情况下获得，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。反常霍尔效应是由于材料的自发磁化而产生的，这与普通霍尔效应完全不同，因此是一类新的重要物理效应。

量子反常霍尔效应可能对信息革命产生深远的影响。人们可以利用量子反常霍尔效应发展新一代低能耗晶体管和电子学器件，从而克服电脑的发热和能量耗散问题，进而推动信息技术的进步。也因为这一原因，全球科学家一直在为率先发现这一效应进行着激烈竞争。

2010年，中国科学院物理研究所的方忠与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。这一体系认为，要实现量子反常霍尔效应，拓扑绝缘体材料必须满足三项条件：材料的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对导电没有贡献。

而从2009年开始，清华大学薛其坤领导的研究团队已经开始尝试证明量子反常霍尔效应的存在，这一团队被广泛认为是中国最好的拓扑绝缘体研究团队之一。

方忠与张守晟两位教授的上述研究成果，令薛其坤团队的研究得以加速。在近4年时间里，这一团队制备和测量了1 000多个样品，逐步实现了对磁性掺杂拓扑绝缘体高质量薄膜的生长、表面电子态的观测，特别是对其电子结构、磁有序态和能带拓扑结构的精密调控。

2012年10月，该团队利用分子束外延制备了Cr掺杂的（Bi，Sb）2Te3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。

他们发现在一定的外加栅极电压范围内，这一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/e2～25,800欧姆，从而在历史上首次证实了此前的理论预言。