北京时间2013年3月15日凌晨，世界著名权威学术刊物《科学》在线发表了中国科学家薛其坤团队发现“量子反常霍尔效应”的消息。
好吧，以上内容似乎已经不算“新”闻了，不过这么多年过去了，是不是仍然觉得“量子反常霍尔效应”听起来不明觉厉。究竟这个效应是咋回事，这个发现到底有多牛？如果你有以上困惑，不妨随着小编走进中国科技馆的“创新决胜未来”科普展览，到“霍尔家族”展项组去了解一下。
从普通导电现象到霍尔效应
普通的导电现象大家可能都很熟悉。自由电荷（通常是电子，以下皆以电子为例）在电压的作用下，沿着导体的某个方向往前跑，就形成了电流。电子们的画风大概是这样滴：
啊不对，应该是这样的：
普通的导电现象中，电子蜂拥而过
总之就像是超市打折，一群人蜂拥而入一样，虽然大家也都有一致的方向，但彼此之间还是你挤我、我挤你，这个过程中，很多电能就变成热量消耗掉了。
时间来到1879年，一位美国物理学家霍尔发现，当电子沿导体运动时，如果给电路加一个垂直于电流的磁场，电子会向导体侧面偏转，使垂直于电流方向也产生电压。这个效应是霍尔发现的，顺理成章地被命名为“霍尔效应”，而这个垂直于电流方向的电压，则叫做“霍尔电压”。
在霍尔效应中，电子拐弯了
很多小伙伴可能还记得高中时期学过的左手定则。通电导体放在磁场里，摊开左手，让磁力线穿过手掌，四指指向电流方向，大拇指的方向就是导体受力方向。霍尔效应中的电子拐弯方向也可以靠左手定则判断。
左手定则（图片来源于网络）
既然霍尔效应跟外加磁场有关，那么很自然地，利用这个效应，就可以制造出监测磁场强弱的“霍尔传感器”，场强越大，霍尔电压也越大，网上买的磁悬浮地球仪，就是靠霍尔传感器控制磁力大小的。
量子霍尔效应
转眼间一个世纪过去了，时间来到1980年，德国物理学家冯·克立清发现了一种在强磁场和极低温下的特殊霍尔效应：在一些二维平面材料中（例如石墨烯）,随着磁场强度增大，霍尔电阻（霍尔电压与电流的比值）会按阶梯状增大，用大白话说就是“要么不增大，要么一大截”，而沿电流方向的电阻则降为零。这种现象被叫做“量子霍尔效应”。
量子霍尔效应中，随着磁场增大，霍尔电阻呈阶梯状上升（红线），电流方向的电阻则会降为零（绿线）。（图片来源于网络）
发生量子霍尔效应时，电子的画风是这样的：材料内部的电子围绕着磁力线转圈，不再参与导电。内外圈轨道变化是不连续的，电子在磁场足够大时，只能从内圈跳到外圈，就像跳台阶一样，而不会处于两个圈之间的中间状态，因此霍尔电阻也按阶梯状变化。而位于边缘的电子转不完一圈就会碰到边缘，继而沿着边缘跳跃前进。所以导电现象只发生在边缘。需要注意的是，这时候的电子们沿着通道有序地往前跳，和普通导电现象中你推我搡的状态大不相同，所以电流方向的电阻消失了。（这种解释适合“整数量子霍尔效应”，1982年，崔琦和施特默又发现了“分数量子霍尔效应”，需要引入更复杂的解释。）
在量子霍尔效应中，材料内部电子在等能面转圈，而边缘的电子跳跃前进
量子反常霍尔效应
量子霍尔效应没有电阻，听起来很美好，但是，这种现象需要依靠极低温度和很强的外加磁场才能实现。能不能不依赖外加磁场实现量子霍尔效应呢？长久以来，世界各国的科学家都在寻找这种不借助外加强磁场的“量子反常霍尔效应”。华人物理学家张守晟做出可能在拓扑绝缘体中发现量子反常霍尔效应的预测，后来，清华大学薛其坤院士率领的团队经过4年不懈努力，测量了1000多个样品之后，做出本文开头的发现，这场寻觅才算尘埃落定，这已经距霍尔发现霍尔效应相隔134年了。
量子反常霍尔效应无需外加磁场，只依靠材料本身的励磁，就可以实现让电子按照指定通道有序前进。
那么，这种效应又能够做什么呢？细心的小伙伴可能已经发现，这种沿着窄窄的能量通道排队跑的电子运动方式，没法承载大电流，用它大规模输电怕是不现实，不过，在各种电子元器件领域，它可能会大展身手。在这些只需要较小电流传递信号的元器件中，如果实现量子反常霍尔效应，能量损耗将大大降低，元器件的体积也可以制作得很小。
“量子反常霍尔效应”的发现，在学术界是相当有影响力的。之前，整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现者均获得了诺贝尔物理学奖，而这次发现，被著名物理学家杨振宁誉为从中国的实验室里第一次做出来了，发表出来了诺贝尔奖级的物理学论文。
不过，最后还要澄清一点，这次发现，还不足以带来电子元器件领域的彻底变革，因为目前发现的“量子反常霍尔效应”尽管不依赖外加强磁场，但还离不开低温条件，所以还有很多问题需要科学家们解决。也许在将来的某个时候，我们会惊喜地发现，身边的电子产品越来越小，那时候，超算变平板也不是什么稀罕事了。
中国科学技术馆展览教育中心李博供稿
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