量子反常霍尔效应：打开诺贝尔奖富矿的钥匙

刘林森

中世纪的欧洲，大科学家伽利略在比萨斜塔成功地完成了自由落体实验，从而否定了古代大学者亚里士多德关于物体降落的速率和该物的重量成正比关系的理论，由此扬名于世。19 世纪的美国物理学家霍尔，同样怀疑和推翻了英国物理学家、电磁学权威麦克斯韦关于某一电磁现象的论断，经过艰苦的探索和实验，“霍尔效应”问世了。新闻界将霍尔的成功誉为“过去50 年中电学领域最重要的发现”。

霍尔大学毕业后在美国北部的缅因当了两年中学教员，于1877 年考入霍普金斯的研究生院，师从罗兰教授攻读物理。在罗兰开设的课程中，麦克斯韦的《电磁学》被指定为教科书。当他读这本书时，对麦克斯韦的一段论述感到疑惑，并进一步产生了怀疑。麦克斯韦在他的《电磁学》中写道：“在导线中流动的电流本身完全不受附近磁铁或其他电流的影响……”霍尔工作学习既很认真，又不纯粹为权威和书本所束缚。当他阅读到这句话时，凭直觉感到似乎和普通的物理知识相矛盾。不久，他又读了瑞典物理学家埃德隆德教授的一篇文章，文中明确地假定：“电流受磁铁的作用，恰如载流导线受磁铁的作用一样。”霍尔发现这两个学术权威的论点不一致，相信哪一位呢？既不迷信权威，又有探索精神的霍尔决心解开这个科学之谜。他在罗兰教授的支持鼓励下，进行了多次实验，经受了多次失败后，最终霍尔发现通过金箔条的电流在磁场里产生一个电势，其方向与电流和磁场垂直。这个效应后来以它的发现者的名字命名为“霍尔效应”，当时霍尔仅24 岁。

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进入量子力学领域

长期以来“霍尔效应”被广泛用于电子元器件的设计中，例如在汽车开关电路上由于设计了功率霍尔电路获得了抑制电磁干扰的功能。因为汽车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。汽车上有许多灯具和电器件在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，进而引发较大的电磁干扰信号，而使用功率霍尔开关电路就可以杜绝这些现象的发生，从而保证汽车行驶的安全性。在发现霍尔效应1 年后的1880 年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时又发现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转，反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的，因此是一类新的重要物理效应。

100 年后，“霍尔效应”被引入量子力学领域。1980 年，德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应。1982 年，美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应，这两项成果分别于1985 年和1998 年获得诺贝尔物理学奖。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，有望通过开发低能耗的高速电子器件从而引领新一轮信息技术革命。此前，在量子霍尔效应家族里仍未被发现的效应是量子反常霍尔效应——不需要外加磁场的量子霍尔效应。

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最后一个重要成员

发现量子反常霍尔效应是多年来该领域的一个非常困难的重大挑战，它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质，发现这种全新的量子效应需要精准的材料设计、制备与调控，因而实现起来也更为困难。1988 年，美国物理学家霍尔丹提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体的物理途径。中国科学家百折不挠，由清华大学薛其坤院士领衔的科研团队在量子反常霍尔效应研究中终于取得了重大突破，他们从实验中首次观测到量子反常霍尔效应，这是物理学领域基础研究的一项重要科学发现，因为量子反常霍尔效应被认为可能是霍尔效应家族的最后一个重要成员。

长期以来的实践证实，量子霍尔效应的重要性在于它可能在未来电子器件中发挥特殊的作用。我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题，这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道，会出现相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上毫无阻碍地前进。薛其坤院士用一个生动的比方阐释这个原理：“计算机芯片里电子的运动几乎是毫无规律，从晶体管的电极一端到达另一端的时候，就像从农贸市场的一端到达另一端，将电子比喻成人的话，运动过程中总是无序，因此老是要走弯路，走弯路就要多耗能而造成发热，效率就不高，这是目前晶体管发热的重要原因之一。量子霍尔的电子被这个效应定义了一个规则，有了这个规则，就不会像人在农贸市场里的运动那样杂乱了，而是像行驶在高速公路上的汽车一样，按照规则有序进行。”

量子反常霍尔效应由于不需要外加磁场，因此在应用方面比此前发现的那两种量子霍尔效应要方便得多，可以推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，从根本上解决芯片发热等问题。因此从理论研究和实验上实现量子反常霍尔效应，就成为世界凝聚态物理学家关注的焦点。自1988 年开始，不断有理论物理学家提出各种解决方案，但在实验上都未能取得进展。2006 年, 美国斯坦福大学张首晟教授成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008 年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向。

2010 年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子反常霍尔效应的最佳材料体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等多个世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应，但一直没有取得突破。最终中国科学家成功了，由薛其坤院士率领的团队经过近4 年的研究，生长测量了1000 多个样品，利用分子束外延方法，生长出了高质量的拓扑绝缘体。这是一种性能独特的量子材料，既具有拓扑非平庸的绝缘性体电子结构，又具有受时间反演对称性保护的金属性表面态。此后他们又制备出不依赖于载流子类型和浓度的铁磁性拓扑绝缘体薄膜，为发现与理论预期相符的反常霍尔效应扫除了最后的障碍。

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跨越“摩尔定律”

20 世纪人类取得的重大成就之一是计算机的发明。如今人类的工作、生活都已离不开计算机，但我们现在使用的计算机还处于大规模集成电路时代。近半个世纪以来，计算机的性能价格比基本遵循着著名的“摩尔定律”：芯片的集成度和性能每18 个月提高一倍。然而，随着半导体加工工艺的进步，人们预期在不远的将来半导体集成电路中晶体管的尺寸将达到10 纳米的尺度，因而依靠提高集成电路的密集度来增加计算能力将不太可能。如何进一步提高计算能力，已是计算机发展面临的重大挑战。因此，欲使计算机持续更新换代，就必须跨越“摩尔定律”这个规则。自从发现了量子以后，科学家对突破这个瓶颈寄予无限希望，因为量子的怪异物理特性突破了传统计算机的计算模式，足以让电子计算机运行速度实现质的突破，而量子反常霍尔效应的发现更是在研制量子计算机的道路上跨出了关键的一步。

在现代计算机的二进制数学中，每个比特都是0 或1。科学家设想，如果一行原子中的每个电子都可以同时在两个或两个以上的位置出现，我们就可以利用这些位置进行计算，指数的力量就会显示出来，而量子的特性就能够“分身有术”。我们假设一个量子比特，即量子位，能够同时代表两个值，那么联在一起的两个量子位就可以同时表示四个值，三个量子位就能同时表示八个值，以此类推。20 个量子位能够同时表示的值将接近100 万个。利用这种指数增长的力量，就可以解决任何以指数形式扩大的问题，而现实生活中有很多非常重要的实际需要都属于这种类型。例如，目前我们还不能准确地预测气候、天体现象或交通状况，也不能准确预测多种病毒是否会出现变异，因为这些问题涉及的变量数以及变量之间可能存在的相互作用对于目前最先进的计算机来说仍是个天文数字，但在量子计算机面前不过是小菜一碟，完全可以迎刃而解。

人类文明的美好展望

与量子霍尔效应相关的发现之所以屡获学术大奖，是因为量子霍尔效应在应用技术中特别重要，国民经济和日常生活中很多高精确度电子元器件的设计原理都来自量子霍尔效应。量子霍尔效应在具体应用中的不足之处是，设备运行中需要产生相当强度的磁场，因此至今没有广泛应用于个人电脑和便携式计算机上，因为要产生所需的磁场不但投入成本昂贵，而且设备体积还得有如衣柜那么大。由于量子反常霍尔效应具有不需要磁场这个重要特性，工程师就可以将元器件设计得非常小，完全能适用于高端手机、电脑以及其它领域。如果今后将产生量子反常霍尔效应的材料工作温度提高到日常温度范围，实际应用领域更将显著扩大，例如届时将出现超高速的电网，不仅可实现高效输电，而且可大大节约能源和降低成本。

如果让科学家们预测在大约20 年后量子科学会给世界带来哪些变化，他们的想象力就会疯狂地驰骋起来。最普遍的一项预测就是，人们会看到──确切地说，我们根本看不见——计算机无所不在，画在墙上的、镶在椅子里的……还有植入你身体内部的，它们相互之间保持着不断的联络，而且需要的电力一点也不比从空中接收无线电频率多。更有科学家展望：“想象未来我们将不再使用便携式电脑，也不再使用手机。我们会把它戴在身上。它变成了一根发带。而且我们也不需要屏幕了，计算机会和右脑直接连接在一起。”因此可以说量子计算机将掀起一场划时代的科学革命，由于其强大的计算能力，可以解决电子计算机难以或不能解决的问题，为人类提供一种性能强大的新型模式的运算工具，大大增强人类分析、解决问题的能力，将全方位大幅推进各领域的科学研究。可以说人类一旦掌握了这种强大的运算工具，人类文明将发展到崭新的时代。

量子科学蕴含着巨大的经济、社会、军事价值，量子反常霍尔效应的发现预示新时代的来临。科学探索永无止境，未来要走的路还很长。目前的成就主要限制于量子反常霍尔效应只有在超低温条件下(绝对零度即零下273 摄氏度以下)才能观察到，可以想象，一旦突破了温度的束缚而在室温环境下做到这一点，那么制造出iPad 平板电脑大小的超级计算机将是水到渠成的事。展望未来，量子反常霍尔效应的发现吹响了新一轮信息技术革命的进军号，中国在实现这场信息革命中将作出宝贵的贡献。