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2013年3月15日，由清华大学、中科院物理所和美国斯坦福大学组成的研究团队在《科学》杂志在线发文，宣布通过实验，首次发现了一个神奇而重要的物理现象——量子反常霍尔效应。这篇论文被杨振宁先生称为中国实验室里诞生的第一篇诺贝尔奖级别的物理学论文。未来，基于量子反常霍尔效应制成的新型电子器件，或许会取代我们现在使用的这些半导体器件，使信息技术进入一个全新的时代。

从霍尔效应说起

霍尔效应，是美国物理学家霍尔（Edwin Herbert Hall）于1879年发现的一种物理效应。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，在洛仑兹力的作用下，电子的运动轨迹将发生偏转，并在导体两侧产生电荷积累，形成垂直于电流和磁场方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。这个电磁输运现象，就是著名的霍尔效应。

利用霍尔效应制成的传感器已经在我们日常生活中得到了广泛的应用，这其中的关键，还是得益于高强度的恒定磁体（比如钕铁硼）的发现，以及高增益的集成电路。霍尔传感器的工作原理，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。相比于传统的机电传感器，霍尔传感器具有很多独特的优点，比如，它只需要感受磁场的变化，而不需要有直接的机械接触，因此非常稳定、可靠。此外，霍尔信号对磁场的响应是瞬时的，因此可以精确控制、准确定位。

根据功能和需求的不同，可以将霍尔效应传感器制成各种装置，比如转速传感器（自行车车轮、齿轮、汽车速度表和里程表、发动机点火系统）、流速传感器、电流传感器和压力传感器等等。

这里，我们以最简单的转速传感器为例，来了解一下霍尔传感器的奥秘。霍尔传感器一般由永磁体和霍尔元件组成。永磁体用来提供磁场，可以安装在转动的物体上，比如各种齿轮或者车轮上；霍尔元件则是由半导体芯片和放大整形电路组成，用来提供霍尔信号。当用磁铁周期性地靠近或远离霍尔元件时，霍尔元件就会相应地产生开或者关的电信号，从而可以在不与车轮发生任何接触的前提下，精确地测出车轮的转速。

在汽车发动机的点火系统中，设计者把分电器内的机械断电器用霍尔传感器替换，作为点火脉冲发生器。相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制发动机气缸的点火时刻，能够较大幅度提高发动机的性能，具有明显的优势。

除了霍尔点火器，汽车上的功率霍尔电路，也具有抑制电磁干扰的作用。许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机，在开关时会产生瞬间的高峰电流，使机械式开关触点产生电弧，从而产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔电路可以减少这些现象。

不仅如此，汽车上还有各式各样的霍尔器件在监视和测量着汽车各部件运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并且可以将这些变量进行二次变换，进而测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。如今的霍尔器件都可承受一定的振动，可在-40～150℃的范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。

 霍尔效应的原理

不需外加磁场的反常霍尔效应

1881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，也就不存在对电子的洛仑兹力及相应的运动轨道偏转。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。反常霍尔效应通常情况下会比普通霍尔效应要大很多，比如在镍金属里，反常霍尔效应要比普通霍尔效应大100倍。其实这个效应早就被发现，可是关于它的起源问题仍然存在一定争议：反常霍尔效应可能是一个跟材料的杂质或缺陷有关的现象，是由于电子与杂质发生了与自旋方向相关的散射，即具有不同自旋方向的电子发生散射时会沿着相反的方向运动；也可能是材料中电子运动规律的一个整体效应，和材料内部有没有杂质及缺陷无关。目前越来越多的理论研究表明，后者的可能性更大。

在研究材料磁学性质时，反常霍尔效应可以发挥重要作用。比如，在测量铁磁性材料时，其反常霍尔曲线可以出现明显的回滞特点，顺磁性材料的反常霍尔曲线会在低磁场处出现明显的弯折，并且没有回滞效应。而对于其他非铁磁和非顺磁的材料，一般情况下只会表现出普通霍尔效应，和磁场呈线性关系。所以通过测量材料的反常霍尔效应对温度、压力、栅极电压和掺杂浓度等物理参量的关系，可以详细探索材料内部的磁性起源和物理机制。

（本文发表于《科学世界》2013年第6期）