2013年3月14日，美國《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了我國科學(xué)家的重大發(fā)現(xiàn)——量子反�；魻栃�(yīng)（Quantized anomalous Hall effect）。這一研究成果由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜、清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所組成的試驗團隊共同完成。
在實驗上首次觀測到量子反�；魻栃�(yīng)，是世界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的重大研究成果。由于此前和量子霍爾效應(yīng)有關(guān)的科研成果已經(jīng)3獲諾貝爾獎，業(yè)界很多人士對這項“可能是量子霍爾效應(yīng)家族最后一個重要成員”的研究給予了極高的關(guān)注和期望。
諾貝爾物理獎得主、清華大學(xué)高等研究院名譽院長楊振寧教授4月10日高度評價了我國科學(xué)家的重大發(fā)現(xiàn)，認為“這個研究成果是從中國實驗室里，第一次發(fā)表出來了諾貝爾物理獎級別的論文，這不僅是清華大學(xué)、中科院的喜事，也是整個國家發(fā)展中喜事�！�
那么什么是量子反常霍爾效應(yīng)？對它的研究為什么引起世界各國科學(xué)家的興趣？它的發(fā)現(xiàn)有什么重大意義？
突破摩爾定律（Moore's Law）瓶頸
在認識量子反�；魻栃�(yīng)之前，讓我們先來了解一下量子霍爾效應(yīng)（Hall effect），這是美國物理學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的一個物理效應(yīng)。在一個通有電流的導(dǎo)體中，如果施加一個垂直于電流方向的磁場，由于洛倫茲力的作用，電子的運動軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場方向的導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓，這個電磁輸運現(xiàn)象就是著名的霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的橫向電壓被稱為霍爾電壓，霍爾電壓與施加的電流之比則被稱為霍爾電阻。由于洛倫茲力的大小與磁場成正比，所以霍爾電阻也與磁場成線性變化關(guān)系。
1880年，霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，即使不加外磁場也可以觀測到霍爾效應(yīng)，這種零磁場中的霍爾效應(yīng)就是反常霍爾效應(yīng)。反常霍爾效應(yīng)與普通的霍爾效應(yīng)在本質(zhì)上完全不同，因為這里不存在外磁場對電子的洛倫茲力而產(chǎn)生的運動軌道偏轉(zhuǎn)。反常霍爾電導(dǎo)是由于材料本身的自發(fā)磁化而產(chǎn)生的，因此是一類新的重要物理效應(yīng)。
量子霍爾效應(yīng)就像一個富礦，一代又一代科學(xué)家為之著迷和獻身，他們的成就也多次獲得諾貝爾物理獎：
. 1985年，諾貝爾物理獎頒給了德國科學(xué)家馮·克利青，他于1980年發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。
. 1998年，諾貝爾物理獎頒給了美國科學(xué)家：美籍華人物理學(xué)家崔琦、施特默和勞弗林。前兩人于1982年發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應(yīng)，而后者則對這一效應(yīng)進一步給出了理論解釋。
. 2010年，諾貝爾物理獎頒給了英國科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫。他們倆在2005年發(fā)現(xiàn)了石墨烯中的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。此外，量子化自旋霍爾效應(yīng)于2007年被發(fā)現(xiàn)，2010年獲得歐洲物理獎，2012年獲得美國物理學(xué)會巴克利獎。
量子霍爾效應(yīng)在凝聚態(tài)物理的研究中占據(jù)著極其重要的地位，應(yīng)用前景非常廣泛。薛其坤院士舉了個簡單地例子：我們使用計算機的時候，會遇到計算機發(fā)熱、能量損耗速度變慢等問題。這是因為常態(tài)下芯片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生熱量損耗。而量子霍爾效應(yīng)則可以對電子的運動制定一個規(guī)則，讓他們在各自的跑道上“一往無前”地前進�！斑@就好比一輛高級跑車，常態(tài)下是在擁擠的農(nóng)貿(mào)市場上前進，而在量子反�；魻栃�(yīng)下，則可以在‘各行其道、互不干擾’的高速路上前進�！毖ζ淅ご蛄藗�形象的比喻。
然而，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強的磁場，“相當(dāng)于外加10個計算機大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價格昂貴，不適合個人電腦和便攜式計算機�！毖ζ淅ふf，而量子反�；魻栃�(yīng)的美妙之處是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小?/P>
自1988年開始，就不斷有理論物理學(xué)家提出各種方案，然而在實驗上沒有取得任何進展。2010年，我國理論物理學(xué)家方忠、戴希等與拓撲絕緣體領(lǐng)域的開創(chuàng)者之一張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓撲絕緣體有可能是實現(xiàn)量子化反常霍爾效應(yīng)的最佳體系。這個方案引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，德國、美國、日本等有多個世界一流的研究組沿著這個思路在實驗上尋找量子反�；魻栃�(yīng)，但一直沒有取得突破。
薛其坤團隊經(jīng)過近4年的研究，生長測量了1000多個樣品。利用分子束外延方法，生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜（Bi，Sb）2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反�；魻栃�(yīng)。
“量子反�；魻栃�(yīng)可在未來解決摩爾定律瓶頸問題，它發(fā)現(xiàn)或?qū)硐乱淮涡畔⒓夹g(shù)革命，我國科學(xué)家為國家爭奪了這場信息革命中的戰(zhàn)略制高點。”拓撲絕緣體領(lǐng)域的開創(chuàng)者之一、清華大學(xué)“千人計劃”張首晟教授說。
讓實驗材料同時具備“速度、高度和靈巧度”
從美國物理學(xué)家霍爾丹于1988年提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng)，到我國科學(xué)家為這一預(yù)言畫上完美句號，中間經(jīng)過了20多年。課題組成員、中科院物理所副研究員何珂告訴記者：“量子反�；魻栃�(yīng)實現(xiàn)非常困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計、制備與調(diào)控。盡管多年來各國科學(xué)家提出幾種不同的實現(xiàn)途徑，但所需的材料和結(jié)構(gòu)非常難以制備，因此在實驗上進展緩慢。
“這就如同要求一個運動員同時具有劉翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的靈巧度。在實際的材料中實現(xiàn)以上任何一點都具有相當(dāng)大的難度，而要同時滿足這三點對實驗物理學(xué)家來講是一個巨大的挑戰(zhàn)�！闭n題組成員、清華大學(xué)王亞愚教授這樣描述實驗對材料要求的苛刻程度。
實驗中，材料必須具有鐵磁性從而存在反�；魻栃�(yīng)；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而對導(dǎo)電沒有任何貢獻，只有一維邊緣態(tài)參與導(dǎo)電；材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓撲特性從而具有導(dǎo)電的一維邊緣態(tài)，即一維導(dǎo)電通道。
2010年，課題組完成了對1納米到6納米（頭發(fā)絲粗細的萬分之一）厚度薄膜的生長和輸運測量，得到了系統(tǒng)的結(jié)果，從而使得準(zhǔn)二維超薄膜的生長測量成為可能。
2011年，課題組實現(xiàn)了對拓撲絕緣體能帶結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，使得其體材料成為真正的絕緣體，去除了其對輸運性質(zhì)的影響。
2012年初，課題組在準(zhǔn)二維、體絕緣的拓撲絕緣體中實現(xiàn)了自發(fā)長程鐵磁性，并利用外加?xùn)艠O電壓對其電子結(jié)構(gòu)進行原位精密調(diào)控。
2012年10月，課題組終于發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場中的反�；魻栯娮柽_到了量子霍爾效應(yīng)的特征值h/e2~25800歐姆——世界難題得以攻克。
課題組克服薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關(guān)，一步一步實現(xiàn)了對拓撲絕緣體的電子結(jié)構(gòu)、長程鐵磁序以及能帶拓撲結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，最終為這一物理界的預(yù)言畫上了完美句號。
“下一步我們主要的努力方向是全面測量材料在極低溫下的電子結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)，尋找更好的材料體系，在更高的溫度下實現(xiàn)這一效應(yīng)。那時，也許我們能對其應(yīng)用前景作更好的判斷�！蓖鮼営薷嬖V記者。
“實驗成果出來以后，量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者給我發(fā)了一封郵件。他寫道：我深信拓撲絕緣體和量子反常霍爾效應(yīng)是科學(xué)上王冠上的明星�！睆埵钻上蛴浾哒故玖诉@封郵件。
《科學(xué)》雜志的一位審稿人說“這項工作毫無疑問地證實了與普通量子霍爾效應(yīng)不同來源的單通道邊緣態(tài)的存在。我認為這是凝聚態(tài)物理學(xué)一項非常重要的成就。”另一位審稿人說“這篇文章結(jié)束了多年來對無朗道能級的量子霍爾效應(yīng)的探尋。這是一篇里程碑式的文章�！保ň庉嫞篖isa WU）
