整數(shù)量子霍爾效應的機制已經(jīng)基本清楚，而仍有一些科學家，如馮·克利青和紐約州立大學石溪分校的V·J·Goldman，還在做一些分數(shù)量子效應的研究。一些理論學家指出分數(shù)量子霍爾效應中的某些平臺可以構成非阿貝爾態(tài)（Non-Abelian States），這可以成為搭建拓撲量子計算機的基礎。

石墨烯中的量子霍爾效應與一般的量子霍爾行為大不相同，稱為異常量子霍爾效應(Anomalous Quantum Hall Effect)。此外，Hirsh、張首晟等提出自旋量子霍爾效應的概念,與之相關的實驗正在吸引越來越多的關注。

中國科學家發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應

《科學》雜志在線發(fā)文，宣布中國科學家領*的團隊首*在實驗上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應。這一發(fā)現(xiàn)或?qū)π畔⒓夹g進步產(chǎn)生重大影響。

這一發(fā)現(xiàn)由清華大學教授、中國科學院院士薛其坤(原曲阜師范大學物理工程學院教師）*銜，清華大學、中國科學院物理所和斯坦福大學的研究人員聯(lián)合組成的團隊歷時4年完成。在美國物理學家霍爾1880年發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應133年后，終于實現(xiàn)了反常霍爾效應的量子化，這一發(fā)現(xiàn)是相關領域的重大突破，也是基礎研究領域的一項重要科學發(fā)現(xiàn)。

美國科學家霍爾分別于1879年和1880年發(fā)現(xiàn)霍爾效應和反常霍爾效應。1980年，德國科學家馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應，1982年，美國科學家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應，這兩項成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎。

由中國科學院物理研究所和清華大學物理系的科研人員組成的聯(lián)合攻關團隊，經(jīng)過數(shù)年不懈探索和艱苦攻關，成功實現(xiàn)了“量子反常霍爾效應"。這是國際上該領域的一項重要科學突破，該物理效應從理論研究到實驗觀測的全過程，都是由我國科學家獨立完成。

量子霍爾效應是整個凝聚態(tài)物理領域最重要、最基本的量子效應之一。它是一種典型的宏觀量子效應，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個完*體現(xiàn)。1980年，德國科學家馮·克利青(Klaus von Klitzing)發(fā)現(xiàn)了“整數(shù)量子霍爾效應"，于1985年獲得諾貝爾物理學獎。1982年，美籍華裔物理學家崔琦(Daniel CheeTsui)、美國物理學家施特默(Horst L. Stormer)等發(fā)現(xiàn)“分數(shù)量子霍爾效應"，不久由美國物理學家勞弗林(Rober B. Laughlin)給出理論解釋，三人共同獲得1998年諾貝爾物理學獎。在量子霍爾效應家族里，至此仍未被發(fā)現(xiàn)的效應是“量子反常霍爾效應"——不需要外加磁場的量子霍爾效應。

“量子反常霍爾效應"是多年來該領域的一個非常困難的重大挑戰(zhàn)，它與已知的量子霍爾效應具有*不同的物理本質(zhì)，是一種全新的量子效應;同時它的實現(xiàn)也更加困難，需要精準的材料設計、制備與調(diào)控。1988年，美國物理學家霍爾丹(F. Duncan M. Haldane)提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，但是多年來一直未能找到能實現(xiàn)這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。

2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領的團隊與張首晟教授等合作，從理論與材料設計上取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓撲絕緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機制，能形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體，是實現(xiàn)量子反常霍爾效應的最佳體系[Science，329, 61(2010)]。他們的計算表明，這種磁性拓撲絕緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強度下，即處在“量子反常霍爾效應"態(tài)。該理論與材料設計的突破引起了國際上的廣泛興趣，許多實驗室都爭相投入到這場競爭中來，沿著這個思路尋找量子反常霍爾效應。

在磁性摻雜的拓撲絕緣體材料中實現(xiàn)“量子反常霍爾效應"，對材料生長和輸運測量都提出了*的要求：材料必須具有鐵磁長程有序;鐵磁交換作用必須足夠強以引起能帶反轉(zhuǎn)，從而導致拓撲非平庸的帶結構;同時體內(nèi)的載流子濃度必須盡可能地低。中科院物理所何珂、呂力、馬旭村、王立莉、方忠、戴希等組成的團隊和清華大學物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團隊合作攻關，在這場國際競爭中顯示了雄厚的實力。他們克服了薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關，一步一步實現(xiàn)了對拓撲絕緣體的電子結構、長程鐵磁序以及能帶拓撲結構的精密調(diào)控，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地觀測到了“量子反常霍爾效應"。該結果于2013年3月14日在Science上在線發(fā)表，清華大學和中科院物理所為共同第一作者單位。

該成果的獲得是我國科學家長期積累、協(xié)同創(chuàng)新、集體攻關的一個成功*。前期，團隊成員已在拓撲絕緣體研究中取得過一系列的進展，研究成果曾入選2010年中國科學十*進展和中國高校*大科技進展，團隊成員還獲得了2011年“求是杰出科學家獎"、“求是杰出科技成就集體獎"和“中國科學院杰出科技成就獎"，以及2012年“全球華人物理學會亞洲成就獎"、“陳嘉庚科學獎"等榮譽。該工作得到了中國科學院、科技部、國家自然科學基金委員會和教育部等部門的資助。

量子反常霍爾效應　將為我們帶來什么

與量子霍爾效應相關的發(fā)現(xiàn)之所以屢獲學術大獎，是因為霍爾效應在應用技術中特別重要。人類日常生活中常用的很多電子器件都來自霍爾效應，僅汽車上廣泛應用的霍爾器件就包括：信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器等。

此次中國科學家發(fā)現(xiàn)的量子反常霍爾效應也具有*的應用前景。量子霍爾效應的產(chǎn)生需要用到非常強的磁場，因此至今沒有廣泛應用于個人電腦和便攜式計算機上——因為要產(chǎn)生所需的磁場不但價格昂貴，而且體積大概要有衣柜那么大。而反常霍爾效應與普通的霍爾效應在本質(zhì)上*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)，反常霍爾電導是由于材料本身的自發(fā)磁化而產(chǎn)生的。

如今中國科學家在實驗上實現(xiàn)了零磁場中的量子霍爾效應，就有可能利用其無耗散的邊緣態(tài)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學器件，從而解決電腦發(fā)熱問題和摩爾定律的瓶頸問題。這些效應可能在未來電子器件中發(fā)揮特殊作用：無需高強磁場，就可以制備低能耗的高速電子器件，例如極低能耗的芯片，進而可能促成高容錯的全拓撲量子計算機的誕生——這意味著個人電腦未來可能得以更新?lián)Q代。