内容来源：量子前哨（ID：Qforepost）

文丨浪味仙 排版丨沛贤

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6 月 24 日，2023 年度国家最高科学技术奖在京揭晓，61岁的凝聚态物理领域科学家、清华大学薛其坤院士荣获中国科技界崇高荣誉。

单凭首次观测到“量子反常霍尔效应”这一科研成果，此前，薛其坤院士就拿到了两项均为首次颁给中国籍物理学家的领域最高奖，也被尊敬地称为“离诺奖最近的物理学家”。

那么问题来了，“量子反常霍尔效应”到底是什么？观测这一效应的挑战是什么？这一现象又有什么现实价值？今天就来聊聊这些。

1879 年，正在为自己博士毕业论文而废寝忘食的霍尔（Edwin Herbert Hall），无意间发现了一个有趣的现象。

埃德温·赫伯特·霍尔

霍尔是约翰·霍普金斯大学博士生，研究方向是麦克斯韦的电磁学，在研究磁铁和电流相互作用的机制时，霍尔将一片金箔垂直固定住，并在左右两端通上直流电流，再给金箔施加一个垂直于金箔表面的磁场。

此时，测量金箔上下两端，发现有电压产生，称为霍尔电压，而这种现象就是霍尔效应，霍尔凭借这一发现顺利提交毕业论文。

霍尔效应是一种重要的输运现象，适用于导体和半导体材料，是包括手机、火箭推进器在内诸多电子元件的基础，且广泛用于检测电荷载流子周围的浓度或磁场或电流大小，1990 年开始，霍尔电阻被用于全球电阻校准。

两年后的 1881 年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时，再次有了新发现：在不加外磁场时，同样可以观测到霍尔效应。也就是说，磁场并不是霍尔效应的必要条件。

这种零磁场中的霍尔效应，被称为“反常霍尔效应”，对于自带磁性的物质，比如铁，不需要外加磁场就能实现霍尔效应。

此时的霍尔绝对想不到，自己的这一发现，竟在 100 年后又有新突破。

1980 年，德国物理学家冯·克利钦在高磁场下研究金属-氧化物半导体场效应晶体管时，在其中的二维电子气体中，意外发现霍尔电阻被精确量子化了。

冯·克利钦

换句话说，霍尔效应竟然存在量子力学版本。量子霍尔效应需要在低温强磁场的极端条件下才能被观察到，此时霍尔电阻与磁场不再呈线性关系，它表明量子力学现象可以在管控尺度上表现出来。

量子霍尔效应是个统称，包含整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，发现者均获得了诺奖：

1985 年，德国物理学家冯·克利钦因为发现了整数量子霍尔效应获得诺奖；

1988 年，美籍华裔物理学家崔琦、贝尔实验室的德国物理学家施特默、美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的劳克林，因为发现分数量子霍尔效应获得诺奖。

冯·克利钦的诺贝尔奖证书

有一说一，谈到实际应用时，量子霍尔效应有个很明显的限制：需要外加强磁场。量子霍尔效应的产生需要借助非常强的磁场，但产生所需的磁场不仅价格昂贵，而且体积很大，给普及应用增加了不小的阻力。

而量子反常霍尔效应，恰好能够破除这一限制。

在量子反常霍尔效应中，“反常”指的是在某些特殊材料中，由于材料本身就具备很强的内部磁场，所以无需再外加磁场，就能产生量子霍尔效应。

这样描述看起来很容易，实际上，量子反常霍尔效应堪称终极难题，能实现它的材料需要具备非常苛刻的性质。

量子反常霍尔效应最大的挑战，是要制备出有磁性、有拓扑性质、绝缘的薄膜，而这三种性质对薄膜厚度的要求既相互关联，又难以用函数准确描述，如同黑盒一般，令人难以确定薄膜的厚度，就好比“要求一个人既像博尔特跑得那么快，同时还要非常有力量并拥有体操运动员的技巧”。

拓扑绝缘体是一种神奇且有趣的量子现象，像陶瓷碗表层镀了一层极其薄（约 1 纳米）的导电金膜。有趣的是这个金膜无法被去除，神奇的是就算你强行用刮刀去除金膜，它也会立刻自发地产生新的金膜，除非将这种材料彻底分解成原子，否则这层附在表面地金膜将永不消失。

而磁性拓扑绝缘体则更为神奇，通过在材料中引入磁性，会自动去掉陶瓷碗大部分的金膜，只剩下边缘部分，但边缘上的金膜也是去不掉的。

薛其坤院士团队用来实验的材料样品，是用原子一层一层铺上去的，厚度仅有 5 纳米，约为头发丝的十万分之一，制备难度可想而知。四年间，制备出的样品数量高达一千多，无数次的改进、创新，用扫描隧道显微镜这只明亮的“眼睛”，对材料进行深刻把控，终于在 2012 年底，薛其坤院士团队制备出的 Cr 掺杂的 (Bi,Sb)2Te3 磁性拓扑绝缘体薄膜，在世界上首次用实验漂亮地证明了这种奇妙量子态的真实存在。

薛其坤院士指导研究团队学生

量子反常霍尔效应有望推动低能耗的晶体管和电子器件的发展，克服目前计算机发热耗能等带来的一系列问题。凭借这一科研成果，薛其坤院士拿到了均为首次颁给中国籍物理学家的两项领域最高奖：2020 年国际低温物理最高奖——菲列兹•伦敦奖，2024 年国际凝聚态物理最高奖——奥利弗•巴克利奖。

美国新泽西州立大学物理与天文系教授 Seongshik Oh，在《科学》杂志上发表文章中指出：“它（量子反常霍尔效应） 使人们终于能够完整地演奏量子霍尔效应的三重奏”。

在量子霍尔效应研究历史中，出了四个诺贝尔物理学奖获得者，他们的工作都是需要磁场的量子霍尔效应，而量子反常霍尔效应是唯一一个不需要磁场的量子霍尔效应，也是量子霍尔效应家族中最后一个重要成员，它的出现让霍尔效应这个大家族有了添丁之喜，目前这一家族成员有霍尔效应、反常霍尔效应、自旋霍尔效应、量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应，以及量子反常霍尔效应。

关于量子霍尔效应的每一次科研突破，都是一颗新的诺奖种子，所以 61 岁凭实力拉低国家最高科学技术奖得主平均年龄的薛其坤院士，也被尊敬地称为“离诺奖最近的物理学家”。

但科学家的世界都是纯粹的，没有什么比热爱更重要，对薛其坤院士而言，作为科学家的强烈幸福感，也正是来自于对祖国与科学的诚挚热爱。

“每个人都要有一种信念。当你有了信念，不管遇到多大的困难、经受着什么样的考验，都会因为有坚定的信念而笃定向前、乐此不疲。”

参考资料：

1、《量子科技：领导干部公开课》

2、《朗读者Ⅱ》