薛其坤等《科学》发文 首次在实验上发现量子反常霍尔效应 或将推动信息技术进步
清华新闻网3月15日电 （记者
顾淑霞 通讯员
王亚愚） 由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中科院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破，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。该成果于北京时间3月15日凌晨（美国东部时间3月14日下午）在《科学》杂志在线发表。《科学》杂志的三位匿名审稿人对该项成果都给予了高度评价。文章的共同第一作者为清华大学物理系的博士生常翠祖、张金松、冯硝同学和中科院物理所的博士生沈洁同学。该工作是由清华大学物理系薛其坤、王亚愚、陈曦、贾金锋，中科院物理所何珂、马旭村、王立莉、吕力、方忠、戴希以及斯坦福大学/清华大学张首晟等一起共同攻关完成的。
Chemical potential
量子反常霍尔效应的原理示意图：当化学势（chemical potential）位于铁磁拓扑绝缘体的狄拉克点处打开的能隙内时，其零磁场的反常霍尔电导sxy(0) 达到量子电导e2/h的数值并形成平台，而其纵向电导sxx(0)变为0。
由于人们有可能利用量子霍尔效应发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，这将会克服电脑的发热和能量耗散问题，从而有可能推动信息技术的进步。然而，由于普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场（通常需要的磁场强度是地磁场的几万甚至几十万倍），因此应用起来非常昂贵和困难。而量子反常霍尔效应的最美妙之处是不需要任何外加磁场，因此，这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命的进程。
量子反常霍尔效应的测量器件示意图：将分子束外延生长的铁磁拓扑绝缘体薄膜制备成场效应晶体管的结构，并对其霍尔电阻ryx 和纵向电阻rxx进行精密测量。
美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应。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年获得诺贝尔物理奖。2006年，张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，于2007年被实验证实。量子反常霍尔效应是又一个全新的量子效应，被认为有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员；加之其在应用方面的重要性，因此，从理论研究和实验上实现量子反常霍尔效应，成为凝聚态物理学家追求的目标。自1988年开始就不断有理论物理学家提出各种方案，这包括2008年张首晟等和2010年方忠和戴希等提出的磁性掺杂拓扑绝缘体方案。然而反常霍尔效应的量子化需要材料的性质同时满足三项非常苛刻的条件，这就如同要求一个人同时具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度和体操运动员的灵巧：材料的能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态，即一维导电通道；材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应；材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献，只有一维边缘态参与导电。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度，而要同时满足这三点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战，美国、德国、日本等科学家由于无法在材料中同时满足这三点而未取得最后的成功。

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