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量子反常霍爾效應

在凝聚態物理領域，量子霍爾效應研究是一個非常重要的研究方向。量子反常霍爾效應不同於量子霍爾效應，它不依賴於強磁場而由材料本身的自發磁化產生。在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。自1988年開始，就不斷有理論物理學家提出各種方案，然而在實驗上沒有取得任何進展。2013年，由清華大學薛其坤院士領銜、清華大學物理系和中科院物理研究所組成的實驗團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。美國《科學》雜誌於2013年3月14日在線發表這一研究成果。

因為在實驗上發現量子反常霍爾效應，2020年度菲列茲·倫敦獎將授予薛其坤。

中文名：量子反常霍爾效應

外文名:Quantum anomalous Hall effect

學 科:物理學

領 域:凝聚態物理

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發現時間:1980年德國科學家

應用範圍:數理科學

簡介

量子效應是在超低溫等某些特殊條件下，由大量粒子組成的宏觀系統呈現出的整體量子現象。根據量子理論的波粒二象性學說，微觀實物粒子會像光波水波一樣，具有干涉、衍射等波動特徵，形成物質波。但日常所見的宏觀物體，雖然是由服從這種量子力學規律的微觀粒子組成，但由於其空間尺度遠遠大於這些微觀粒子的德布羅意波長，微觀粒子量子特性由於統計平均的結果而被掩蓋了。因此，在通常的條件下，宏觀物體整體上並不出現量子效應。然而，在溫度降低或粒子密度變大等特殊條件下，宏觀物體的個體組分會相干地結合起來，通過長程關聯或重組進入能量較低的量子態，形成一個有機的整體，使得整個系統表現出奇特的量子性質。

量子反常霍爾效應不同於量子霍爾效應，它不依賴於強磁場而由材料本身的自發磁化產生。在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。

重要性

1、量子反常霍爾效應使得在零磁場的條件下應用量子霍爾效應成為可能；

2、這些效應可能在未來電子器件中發揮特殊的作用，可用於製備低能耗的高速電子器件。

發展歷史

1879年，美國物理學家埃德溫·霍爾在實驗中發現：一個通有電流的導體，若對它施加一個垂直於電流方向的磁場，由於洛倫茲力的作用，電子運動的軌跡將產生偏轉，而在垂直於電流和磁場方向的導體兩端產生電壓。這個電磁輸運現象稱為「霍爾效應」。後來霍爾又發現：不加外磁場亦可觀察到霍爾效應。這種零磁場中的霍爾效應稱為「反常霍爾效應」。

在凝聚態物理研究中，量子霍爾效應的研究一直為科學家們高度關注，此前在這方面的研究已三獲諾貝爾物理學獎。1980年整數量子霍爾效應被發現，獲1985年諾貝爾物理學獎；1982年分數量子霍爾效應被發現，獲1998年諾貝爾物理學獎；2005年石墨烯中半整數量子霍爾效應被發現，獲2010年諾貝爾物理學獎。

此外，2007年又發現量子化自旋霍爾效應，獲2012年歐洲物理學獎和2012陶行知兒童科學教育思想年美國物理學家巴克利獎。量子反常霍爾效應是在該領域的又一個重大進展。

重大突破

自1988年開始，就不斷有理論物理學家提出各種方案，然而在實驗上沒有取得任何進展。2006年, 美國斯坦福大學張首晟教授領導的理論組成功地預言了二維拓撲絕緣體中的量子自旋霍爾效應，並於2008年指出了在磁性摻雜的拓撲絕緣體中實現量子反常霍爾效應的新方向。2010年，我國理論物理學家方忠、戴希等與張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓撲絕緣體有可能是實現量子化反常霍爾效應的最佳體系。這個方案引起了國際學術界的廣泛關注。德國、美國、日本等有多個世界一流的研究組沿着這個思路在實驗上尋找量子反常霍爾效應，但一直沒有取得突破。

介紹

薛其坤團隊經過近4年的研究，生長測量了1000多個樣品。最終，他們利用分子束外延方法，生長出了高質量的Cr摻雜（Bi，Sb）2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，並在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應。

意義

由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學、中科院物理所和斯坦福大學研究人員聯合組成的團隊在量子反常霍爾效應研究中取得重大突破，他們從實驗中首次觀測到量子反常霍爾效應，這是中國科學家從實驗中獨立觀測到的一個重要物理現象，也是物理學領域基礎研究的一項重要科學發現。

中國科學家領銜的團隊首次在實驗上發現量子反常霍爾效應。這一發現或將對信息技術進步產生重大影響。

在美國物理學家霍爾1880年發現反常霍爾效應133年後，終於實現了反常霍爾效應的量子化的觀察，這一發現是相關領域的重大突破，也是世界基礎研究領域的一項重要科學發現。

由於人們有可能利用量子霍爾效應發展新一代低能耗晶體管和電子學器件，這將克服電腦的發熱和能量耗散問題，從而有可能推動信息技術的進步。然而，普通量子霍爾效應的產生需要用到非常強的磁場，因此應用起來將非常昂貴和困難。但量子反常霍爾效應的好處在於不需要任何外加磁場，這項研究成果將推動新一代低能耗晶體管和電子學器件的發展，可能加速推進信息技術革命進程。

評價

實驗結果公布後，薛其坤曾應邀去日本作學術報告。作為在世界上和中國科學家研究水平最相近的「老對手」，日本科學家給他發來了郵件，稱讚「這是我在過去十年裡聽到的最好的學術報告，我們真沒有想到你們最終發現了這一美妙現象」，「這非常非常令人激動」。

另一位美國知名物理學家也向課題組發來郵件：「看到你們的結果，我真感覺有些嫉妒。但回過頭想起來，這個工作巨大的難度也確實讓我們嘆為止。」。

美國《科學》雜誌的匿名評審則給出了這樣的評價：「這篇文章結束了對量子反常霍爾效應多年的探尋，這是一項里程碑式的工作。我祝賀文章作者們在拓撲絕緣體研究中作出的重大突破。」。

諾貝爾物理獎得主、清華大學高等研究院名譽院長楊振寧教授評價其為「諾貝爾獎級的發現」。

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獲菲列茲·倫敦獎

日前，菲列茲·倫敦獎評獎委員會宣布，2020年度菲列茲·倫敦獎將授予中國科學院院士、清華大學副校長、北京量子信息科學研究院院長薛其坤，美國阿貢國家實驗室的Vinokur博士和德國馬普學會固體化學物理研究所的Steglich教授。按照評獎委員會的通知，薛其坤是因為在實驗上發現量子反常霍爾效應而斬獲這一崇高榮譽的。薛其坤是自1957年該獎設立以來，首個獲得這一榮譽的中國科學家，第二個來自亞洲地區的科學家。

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