在1月8日召开的国家科学技术奖励大会上，清华大学和中科院物理所实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”摘得2018年度国家自然科学奖一等奖。

这项研究由中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤领导。2013年，该科研团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应，在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后，终于实现了反常霍尔效应的量子化。这是我国科学家从实验上独立观测到的一个重要物理现象，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。2013年3月，这项研究于《科学》杂志在线发表。

发表后，该发现被国际多个实验室重复确认，得到高度评价，目前8篇代表性论文被SCI他引超2200次。什么是“量子反常霍尔效应”？其发现过程是怎样的呢？

翻盖手机的旋转开关，汽车速度传感器……这些都是霍尔效应的应用

“量子反常霍尔效应”，要从“霍尔效应”说起。1879年，美国约翰霍普金斯大学物理系博士生霍尔在研究导体在磁场下的新特性时，发现了霍尔效应。

霍尔效应和我们的日常生活有什么关系呢？2013年4月，也就是上述研究在《科学》发表后，薛其坤院士在清华论坛做报告时举例子说，例如翻盖手机的翻转开关，也是一个小的霍尔效应系统——在翻盖的一面放一个小磁铁，另一边放一个霍尔集成电路，连在一起就形成一个小的探测器。手机盖一关，磁铁离霍尔探测器很近时，探测器就能切断屏幕电源，这样比较省电。

再比如汽车上的速度传感器。车轮转动时，轮子里的小磁铁在霍尔探测器上产生信号，转速不同，产生的信号频率也不同，这样就能很容易地测出车速并在表盘上反映出来。“所以我们看到任何一个运动的物体，都可以用霍尔探测器做一些技术上的应用。”薛其坤说。

量子霍尔效应研究已多次获诺贝尔奖：“背后一定隐含着物理学的一些很大、很重要的基本规律”

1980年，德国科学家冯·克利青在场效应晶体管中研究霍尔效应时发现了整数量子霍尔效应。在这个实验中，随着磁场强度增加，霍尔电阻线性增加。但磁场强度达到一定程度后，霍尔电阻在一定区间内就不再变化了，这个区间就是“量子平台”。

“更奇怪的是，这个平台对应于霍尔电阻的大小非常特别，h/e^2（注：h是普朗克常数，e是一个电子带的电量）对应的是25800多一点欧姆。这个平台出现的地方，是这样一个常数除上一个正整数，非常奇怪。”

“这背后一定隐含着物理学的一些很大、很重要的基本规律。这就是为什么量子霍尔效应变得这么重要。”薛其坤说。

诺贝尔奖的颁发也肯定了这一领域研究的前景。

1985年，冯·克利青因为这个发现获得了诺贝尔物理学奖。

1982年，美国物理学家崔琦和施特莫发现当把一种半导体换成另一种半导体、在两维的体系中做类似测量时，不但在整数的地方，而且在1/3、2/3、2/5的地方也出现平台——这就是分数量子霍尔效应。这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出了理论解释，他们三人分享了1998年的诺贝尔物理学奖。

2010年诺贝尔物理奖颁给了石墨烯领域的研究，两位科学家发现了石墨烯中的半整数量子霍尔效应。

2016年，诺贝尔物理奖依然颁发给了凝聚态物理方面的成果。

微观世界电子的“交通规则”

薛其坤院士形容，量子霍尔效应实际上给处在微观世界的电子订了一个“交通规则”。

“电子在强磁场中，只能沿着边缘的一维通道中走。本来这是一个导体，加上一个很强的磁场后，这个材料的绝大部分变成绝缘的，电子只能在边缘沿着一个个通道运动，而且只能做单向运动，不能返回。这样的发现使我们大大加深了对微观世界的理解，这是物理学上一个非常大的进步。”薛其坤表示。

这个发现有什么用处呢？首先可以实现无耗散、低能耗、高速度的电子器件，并由此推动信息和能源产业的巨大进步。而且它对未来实现固体拓扑量子计算和信息处理的革命也有直接的推动意义。

薛其坤表示，量子霍尔效应的发现，为我们突破摩尔定律和集成电路的发展提供了一个全新的原理。这是物理学基本研究为未来工业界发展提供的崭新道路。

关键：制备拓扑绝缘体薄膜材料

霍尔效应发现一年后，1880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察到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。

但在随后的130多年里，反常霍尔效应的机理一直没有定论。薛其坤表示，反常霍尔效应是不需要磁场的，沿着这样一个思路我们会想到，有没有不需要磁场的量子化霍尔效应呢？如果我们的实验验证了量子化反常霍尔效应，不仅在科学上有重要意义，可以弄清争论了100多年的反常霍尔效应的机制，而且在应用上也有很大的价值。

如何攻下“量子反常霍尔效应”？需要新型材料“拓扑绝缘体”。“拓扑绝缘体这个概念刚刚在理论上提出，就通过实验开始得到验证，而且实验结果非常有趣，所以马上变成了物理学尤其是凝聚态物理中非常重要的研究方向，发表的文章基本都是《科学》、《自然》这一级别的。”薛其坤说。

但多个团队的成果都有缺陷。“它们所使用的材料质量并不高，还有很多缺陷，这些缺陷造成材料本身是导电的。既然能导电，何谈‘绝缘’呢？所以，当时制约该领域发展的瓶颈问题就是最基本的材料问题。”

材料的难度有多大？薛其坤如此比喻：就像一个人，既要有短跑运动员的速度，又要有篮球运动员的高度，还要加上体操运动员的灵巧。一个人同时做到这三点很不容易，就相当于我们对材料提出了几乎不可能实现的苛刻要求。

而薛其坤团队正是通过在材料制备领域的突破，摸到了攻下“量子反常霍尔效应”难题的钥匙。

薛其坤介绍，他在清华搭建的第一台机器，就结合了分子束外延薄膜制备技术，能看到原子的扫描隧道显微镜，以及能够对电子结构进行精确表征的角分辨光电子能谱。“搭建仪器时我们并没有想到要做拓扑绝缘体，而当拓扑绝缘体这个新的领域到来时，这个仪器发挥了重要作用。我们能够 ‘后来居上’，实验技术的发展是很重要的原因。”

团队利用分子束外延的方法，生长了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜，将其制备成输运器件并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。

最后实现量子反常霍尔效应的材料是Cr0.15(Bi0.1Sb0.9)1.85Te3。“即使对学化学的人来说，这也是一个非常复杂的分子式，何况我们是做物理的。如果一开始有人预期说Bi2Te3、Sb2Te3和Cr的化合物会出现量子反常霍尔效应，我也许一看就觉得不可能，不会往下做。但是我们从最基本的材料开始，一步一步走下去，竟然就找到了这样一个非常复杂的材料。”薛其坤说。

“实验数据完美得像画出来的一样”

2012年10月12日晚上10点35分，薛其坤回家刚停下车，学生常翠祖的短信到了：“薛老师，量子反常霍尔效应出来了，等待详细测量。”

据《新清华》报道，听到这一消息，薛其坤“几乎都不知道自己是怎么锁车的。”他表示，当时得的数据是霍尔电阻达到了17kΩ，最关键的就是纵向电阻出现下降,以前纵向电阻总是随霍尔效应应一直在上升。所以这就是量子反常霍尔效应的一个迹象。

接下来，实验顺利地进行着。最终，在2012年12月6日，测到了25.8 kΩ结果。“实验数据完美得像画出来的一样。很多国外学者开始不敢相信，后来看到原始数据时，感到非常惊讶和钦佩。”薛其坤说。

薛其坤说，3年多来，先后有20多个学生参与这项工作，测量了超过1000个样品，用了5套精密实验仪器与相关技术。“我的体会是,尽管我们有非常好的仪器，但仍然要非常努力地工作，而且遇到困难时有信心,坚持不懈很重要，勤奋很重要，精诚合作也很重要。”

应用：可能解决电脑芯片发热问题，但从实验到应用，路还很远

量子霍尔效应之所以如此重要，一方面是由于它们体现了二维电子系统在低温强磁场的极端条件下的奇妙量子行为，另一方面这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊的作用，可以用于制备低能耗的高速电子器件。

例如，如果把量子霍尔效应引入计算机芯片，或能克服电脑的发热和能量耗散问题。

然而，如果想产生量子霍尔效应，需要用到非常强的磁场，也就是说也许电脑发热降下来了，但配套的磁场产生装置却特别巨大——大到衣柜大小。

而零磁场中的量子霍尔效应，也就是量子反常霍尔效应，就有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题。

薛其坤曾说，这一研究继续发展，未来的超级计算机可能只有iPad大小。但他也强调，从实验室到应用，还有很大距离。

【记者】 王诗堃

【策划统筹】张志超 谢苗枫

【校对】居伟强