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量子反常霍尔效应是由清华大学薛其坤院士带领的由清华大学、中科院物理所和美国斯坦福大学等单位组成的研究团队发现的。本刊记者方晨和唐云江专访了薛其坤院士，请他来讲讲什么是量子反常霍尔效应，以及他们是如何发现这个现象的。

科学世界：量子反常霍尔效应，一般人对这个词很陌生，它到底是什么意思？

薛其坤：这要先从霍尔效应说起。霍尔效应是一种很重要的电磁现象：导体中流动的电子在外加磁场中由于受到洛仑兹力发生偏转，从而产生霍尔电压。这个霍尔电压或霍尔电阻是与所加的外界磁场成正比的。

还有一种反常霍尔效应，就是材料本身有磁性，不需要外加磁场就会产生类似的现象。但其物理机制到底是什么样的，现在还有争论。量子反常霍尔效应的实现也有助于理解反常霍尔效应的机制。

后来发现的量子霍尔效应对一般人来说就不是太好理解了。冯·克利青发现，在某种条件下，磁场增加到一定数值时，霍尔电阻不再随之增加，而是出现平台，这是非常奇怪的现象。另外一个奇怪的地方是，这些平台的值都等于一个物理学常数与一个正整数（N）的比值，而与材料本身无关。人们相信在这个现象背后肯定存在着更一般的物理规律。

就像你在校园中穿行，在到达目的地的途中会碰到各种地形和障碍，所以要走弯路，不可能沿着直线到达。类似地，在导体中因电势差而流动的电子也会碰到材料中的各种原子、缺陷等，需要不时“绕道”，这就是一种定向但无序的运动。这种运动方式就使得电子消耗了很多能量，所以材料就会发热。而在量子霍尔效应中，出现平台的时候，科学家发现材料的中间是绝缘的，电子是沿着材料边上的一个个“通道”运动。在“通道”中，电子的运动非常有序，就像高速公路上沿一个方向依次行驶的汽车。而上面提到的那个整数N等于几，就是几“车道”。电子只能朝“规定”的方向走，不能反向运动，就像在高速公路上碰到障碍你可以绕过它继续前进，但不能越过隔离带跑到另一边朝反方向开。

量子霍尔效应中，两种不同自旋的电子都可以在同一条“通道”中运动。但量子反常霍尔效应又有所不同，电子的运动更加有序：它只有一条“通道”，而且这条通道上只允许某一种自旋的电子通过，就像一条车道上只允许一种汽车行驶。

科学世界：是不是必须要在特殊的材料中才能发现这种现象？

薛其坤：是这样的，这种特殊的材料叫“拓扑绝缘体”。前面我们说到，量子霍尔效应与材料的结构、器件的大小等具体性质无关。但它与材料的一个整体性质有关，这就是“倒空间”中电子能带的拓扑性质。我们通常说的实空间是以位置（通常以x，y，z表示）为坐标轴，而倒空间是一个动量空间，是以速度为坐标轴的。

就像不管是用什么材料做成的，马克杯和面包圈的拓扑性质都是相同的；量子霍尔效应也与材料无关，只与其能带结构的拓扑性质有关。拓扑绝缘体的内部是绝缘的，但由于电子能带结构具有特别的拓扑性质，所以其表面是导电的。在这种材料中，电子经过相互作用后成为一种准粒子（准电子），就像光子一样没有静止质量，其动量与能量成正比。要具有这样的性质，就需要有电子自旋轨道耦合。在重原子中，由于自旋轨道耦合比较强，就会造成能带翻转。这就像把一个纸环剪开后扭转180°再粘上，变成莫比乌斯带，就具有了不同的拓扑结构。类似地，能带翻转后，在倒空间中其拓扑结构也发生了变化。由于这种变化，在拓扑绝缘体表面自发地出现了一层很薄的导电的面，厚度只有1纳米左右。如果没有这样的结构，材料也就不会有量子反常霍尔效应。

在很多二维材料中，例如石墨烯、硅-二氧化硅的界面、砷化镓-铝镓砷的界面等，都可以实现量子霍尔效应，但目前只有拓扑绝缘体才能实现量子反常霍尔效应。

科学世界：这次能发现量子反常霍尔效应，关键在什么地方？

薛其坤：材料是关键。要实现这个效应，对材料的要求比较高。要保证材料有磁性但是绝缘，还要是拓扑绝缘体。

科学世界：这种材料是先从理论上做出预测的吗？

薛其坤：是的。在整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应相继发现后，人们自然会想到，既然霍尔效应会发生量子化，那么反常霍尔效应是否也可以发生量子化呢？理论物理学家首先思考了这个问题。1988年，美国普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹（Duncan Haldane）通过理论研究发现，当很薄的石墨材料满足一些其他的物理条件后，可能会出现不需要磁场的量子霍尔效应。2005年又发展出拓扑绝缘体的概念，张首晟等在此基础上提出，当时间反演对称性被磁性破坏后，就会出现量子反常霍尔效应，他还与中科院物理所的方忠等提出了一些可能会实现这个效应的化合物体系。国际上很多研究组开始试图从实验实现量子反常霍尔效应。我们也是在这个背景下开始做的。经过几年的努力，我们在实验上独立地首次实现了量子反常霍尔效应。

科学世界：我国的团队是怎么发现这个效应的？是有什么独到的本领吗？

薛其坤：我们进入拓扑绝缘体领域并不是最早的，而是在这个领域兴起两年多之后才进入的。但是我们课题组有自己擅长的地方，就是分子束外延（MBE）技术。我们把它与扫描隧道显微镜（STM）技术结合起来，再接上角分辨光电能谱（ARPES），这种实验方法在国际上是比较早的。

我对砷化镓这种III-V族半导体材料的分子束外延生长有20年左右的研究积累，对原子尺度的生长动力学理解比较深入。当拓扑绝缘体出现后，我发现这种材料中元素的基本性质与砷化镓的砷和镓很相似，所以就把分子束外延用到了拓扑绝缘体材料的制备上，建立了它的生长动力学。很快，在一年之内，我们就把材料做到了世界最好水平。我们不但能长、能看，还能在原子尺度上调控它的生长，让它达到我们所需要的最佳性质。

有了拓扑绝缘体材料，我们就利用它开展了几个方向的工作：有做马约拉纳（Majorana）费米子的，有做磁单极的，而量子反常霍尔效应也是其中的一个方向。在量子反常霍尔效应的研究中，我们组成了一个小团队，由中科院物理所的何珂负责材料生长，清华大学的王亚愚做输运测量，又做了两三年，终于做出了这个结果。

分子束外延（MBE）-扫描隧道显微镜（STM）-角分辨光电子能谱（ARPES）联合系统。在分子束外延腔中生长完薄膜样品之后，通过传样杆将样品传送到扫描隧道显微镜中，从而在微观尺度上探测样品的表面形貌。同样地，样品也可以传送到角分辨光电子能谱仪中，从介观尺度上探测样品中电子能谱分布，这两个强有力的手段所得到的信息又可以反馈给MBE生长，从而不断优化生长条件。

（本文发表于《科学世界》2013年第6期）