超级军网杨振宁盛赞中国科学家实验发现量子反常霍尔效应
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/30 10:18:16
今天官方发布消息：称对信息技术革命？有这么玄乎？
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/4/276620.shtm
中国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应引起国际物理学界巨大反响，著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁4月10日称赞其是诺贝尔奖级的成绩。
清华大学和中国科学院物理研究所4月10日在北京联合宣布：由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队最近取得重大科研突破，在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这一实验发现也证实了三年前中科院物理研究所与斯坦福大学理论团队的预言。
杨振宁表示，这让他想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话，第一次告诉他在实验室做出了宇称不守恒的实验，这个发现震惊了世界。今天薛其坤及其团队做出的实验成果，是从中国的实验室里第一次做出了诺贝尔奖级的物理学成绩，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。
杨振宁说，获诺贝尔奖的具体条件无法定义，但他相信99%在前沿物理学做研究的人都会同意这是一个诺贝尔奖级的成果。过去人们总认为中国人不擅于做实验，仿佛只会搞理论，其实中国已经有世界一流的实验室，加上中国人的勤奋和团队合作精神，是能够做出一流的实验的。
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年获得诺贝尔物理学奖。
在过去4年间，薛其坤和他的团队测试了1000多个样本，克服重重障碍，才在极其严格的实验要求下完成这一实验。这项研究成果的长远意义在于将推动新一代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进程。（原标题：中国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应）今天官方发布消息：称对信息技术革命？有这么玄乎？
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/4/276620.shtm
中国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应引起国际物理学界巨大反响，著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁4月10日称赞其是诺贝尔奖级的成绩。
清华大学和中国科学院物理研究所4月10日在北京联合宣布：由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队最近取得重大科研突破，在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这一实验发现也证实了三年前中科院物理研究所与斯坦福大学理论团队的预言。
杨振宁表示，这让他想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话，第一次告诉他在实验室做出了宇称不守恒的实验，这个发现震惊了世界。今天薛其坤及其团队做出的实验成果，是从中国的实验室里第一次做出了诺贝尔奖级的物理学成绩，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。
杨振宁说，获诺贝尔奖的具体条件无法定义，但他相信99%在前沿物理学做研究的人都会同意这是一个诺贝尔奖级的成果。过去人们总认为中国人不擅于做实验，仿佛只会搞理论，其实中国已经有世界一流的实验室，加上中国人的勤奋和团队合作精神，是能够做出一流的实验的。
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年获得诺贝尔物理学奖。
在过去4年间，薛其坤和他的团队测试了1000多个样本，克服重重障碍，才在极其严格的实验要求下完成这一实验。这项研究成果的长远意义在于将推动新一代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进程。（原标题：中国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应）
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/4/276620.shtm
中国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应引起国际物理学界巨大反响，著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁4月10日称赞其是诺贝尔奖级的成绩。
清华大学和中国科学院物理研究所4月10日在北京联合宣布：由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队最近取得重大科研突破，在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这一实验发现也证实了三年前中科院物理研究所与斯坦福大学理论团队的预言。
杨振宁表示，这让他想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话，第一次告诉他在实验室做出了宇称不守恒的实验，这个发现震惊了世界。今天薛其坤及其团队做出的实验成果，是从中国的实验室里第一次做出了诺贝尔奖级的物理学成绩，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。
杨振宁说，获诺贝尔奖的具体条件无法定义，但他相信99%在前沿物理学做研究的人都会同意这是一个诺贝尔奖级的成果。过去人们总认为中国人不擅于做实验，仿佛只会搞理论，其实中国已经有世界一流的实验室，加上中国人的勤奋和团队合作精神，是能够做出一流的实验的。
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年获得诺贝尔物理学奖。
在过去4年间，薛其坤和他的团队测试了1000多个样本，克服重重障碍，才在极其严格的实验要求下完成这一实验。这项研究成果的长远意义在于将推动新一代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进程。（原标题：中国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应）今天官方发布消息：称对信息技术革命？有这么玄乎？
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/4/276620.shtm
中国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应引起国际物理学界巨大反响，著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁4月10日称赞其是诺贝尔奖级的成绩。
清华大学和中国科学院物理研究所4月10日在北京联合宣布：由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队最近取得重大科研突破，在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这一实验发现也证实了三年前中科院物理研究所与斯坦福大学理论团队的预言。
杨振宁表示，这让他想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话，第一次告诉他在实验室做出了宇称不守恒的实验，这个发现震惊了世界。今天薛其坤及其团队做出的实验成果，是从中国的实验室里第一次做出了诺贝尔奖级的物理学成绩，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。
杨振宁说，获诺贝尔奖的具体条件无法定义，但他相信99%在前沿物理学做研究的人都会同意这是一个诺贝尔奖级的成果。过去人们总认为中国人不擅于做实验，仿佛只会搞理论，其实中国已经有世界一流的实验室，加上中国人的勤奋和团队合作精神，是能够做出一流的实验的。
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年获得诺贝尔物理学奖。
在过去4年间，薛其坤和他的团队测试了1000多个样本，克服重重障碍，才在极其严格的实验要求下完成这一实验。这项研究成果的长远意义在于将推动新一代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进程。（原标题：中国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应）
请砖家科普，怎么影响信息技术的？
重要性
突破摩尔定律瓶颈 加速推动信息技术革命进程
在认识量子反常霍尔效应之前，让我们先来了解一下量子霍尔效应。量子霍尔效应，于1980年被德国科学家发现，是整个凝聚态物理领域中重要、最基本的量子效应之一。它的应用前景非常广泛。
薛其坤院士举了个简单地例子：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、相互碰撞从而发生热量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让他们在各自的跑道上“一往无前”地前进。“这就好比一辆高级跑车，常态下是在拥挤的农贸市场上前进，而在量子反常霍尔效应下，则可以在‘各行其道、互不干扰’的高速路上前进。”薛其坤打了个形象的比喻。
然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，“相当于外加10个计算机大的磁铁，这不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机。”薛其坤说，而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。
自1988年开始，就不断有理论物理学家提出各种方案，然而在实验上没有取得任何进展。2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与拓扑绝缘体领域的开创者之一张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等有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。
薛其坤团队经过近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Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。
“量子反常霍尔效应可在未来解决摩尔定律瓶颈问题，它发现或将带来下一次信息技术革命，我国科学家为国家争夺了这场信息革命中的战略制高点。”拓扑绝缘体领域的开创者之一、清华大学“千人计划”张首晟教授说。
突破摩尔定律瓶颈 加速推动信息技术革命进程
在认识量子反常霍尔效应之前，让我们先来了解一下量子霍尔效应。量子霍尔效应，于1980年被德国科学家发现，是整个凝聚态物理领域中重要、最基本的量子效应之一。它的应用前景非常广泛。
薛其坤院士举了个简单地例子：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、相互碰撞从而发生热量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让他们在各自的跑道上“一往无前”地前进。“这就好比一辆高级跑车，常态下是在拥挤的农贸市场上前进，而在量子反常霍尔效应下，则可以在‘各行其道、互不干扰’的高速路上前进。”薛其坤打了个形象的比喻。
然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，“相当于外加10个计算机大的磁铁，这不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机。”薛其坤说，而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。
自1988年开始，就不断有理论物理学家提出各种方案，然而在实验上没有取得任何进展。2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与拓扑绝缘体领域的开创者之一张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等有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。
薛其坤团队经过近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Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。
“量子反常霍尔效应可在未来解决摩尔定律瓶颈问题，它发现或将带来下一次信息技术革命，我国科学家为国家争夺了这场信息革命中的战略制高点。”拓扑绝缘体领域的开创者之一、清华大学“千人计划”张首晟教授说。
创新性
让实验材料同时具备“速度、高度和灵巧度”
从美国物理学家霍尔丹于1988年提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，到我国科学家为这一预言画上完美句号，中间经过了20多年。课题组成员、中科院物理所副研究员何珂告诉记者：“量子反常霍尔效应实现非常困难，需要精准的材料设计、制备与调控。尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径，但所需的材料和结构非常难以制备，因此在实验上进展缓慢。
“这就如同要求一个运动员同时具有刘翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的灵巧度。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。”课题组成员、清华大学王亚愚教授这样描述实验对材料要求的苛刻程度。
实验中，材料必须具有铁磁性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；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。
2010年，课题组完成了对1纳米到6纳米（头发丝粗细的万分之一）厚度薄膜的生长和输运测量，得到了系统的结果，从而使得准二维超薄膜的生长测量成为可能。
2011年，课题组实现了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控，使得其体材料成为真正的绝缘体，去除了其对输运性质的影响。
2012年初，课题组在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性，并利用外加栅极电压对其电子结构进行原位精密调控。
2012年10月，课题组终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~25800欧姆——世界难题得以攻克。
课题组克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，最终为这一物理界的预言画上了完美句号。
“下一步我们主要的努力方向是全面测量材料在极低温下的电子结构和输运性质，寻找更好的材料体系，在更高的温度下实现这一效应。那时，也许我们能对其应用前景作更好的判断。”王亚愚告诉记者。
让实验材料同时具备“速度、高度和灵巧度”
从美国物理学家霍尔丹于1988年提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，到我国科学家为这一预言画上完美句号，中间经过了20多年。课题组成员、中科院物理所副研究员何珂告诉记者：“量子反常霍尔效应实现非常困难，需要精准的材料设计、制备与调控。尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径，但所需的材料和结构非常难以制备，因此在实验上进展缓慢。
“这就如同要求一个运动员同时具有刘翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的灵巧度。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。”课题组成员、清华大学王亚愚教授这样描述实验对材料要求的苛刻程度。
实验中，材料必须具有铁磁性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；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。
2010年，课题组完成了对1纳米到6纳米（头发丝粗细的万分之一）厚度薄膜的生长和输运测量，得到了系统的结果，从而使得准二维超薄膜的生长测量成为可能。
2011年，课题组实现了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控，使得其体材料成为真正的绝缘体，去除了其对输运性质的影响。
2012年初，课题组在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性，并利用外加栅极电压对其电子结构进行原位精密调控。
2012年10月，课题组终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~25800欧姆——世界难题得以攻克。
课题组克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，最终为这一物理界的预言画上了完美句号。
“下一步我们主要的努力方向是全面测量材料在极低温下的电子结构和输运性质，寻找更好的材料体系，在更高的温度下实现这一效应。那时，也许我们能对其应用前景作更好的判断。”王亚愚告诉记者。
外界评说
这是凝聚态物理界一项里程碑式的工作
“实验成果出来以后，量子霍尔效应的发现者给我发了一封邮件。他写道：我深信拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应是科学上王冠上的明星。”张首晟向记者展示了这封邮件。
《科学》杂志的一位审稿人说“这项工作毫无疑问地证实了与普通量子霍尔效应不同来源的单通道边缘态的存在。我认为这是凝聚态物理学一项非常重要的成就。”另一位审稿人说“这篇文章结束了多年来对无朗道能级的量子霍尔效应的探寻。这是一篇里程碑式的文章。”
这是凝聚态物理界一项里程碑式的工作
“实验成果出来以后，量子霍尔效应的发现者给我发了一封邮件。他写道：我深信拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应是科学上王冠上的明星。”张首晟向记者展示了这封邮件。
《科学》杂志的一位审稿人说“这项工作毫无疑问地证实了与普通量子霍尔效应不同来源的单通道边缘态的存在。我认为这是凝聚态物理学一项非常重要的成就。”另一位审稿人说“这篇文章结束了多年来对无朗道能级的量子霍尔效应的探寻。这是一篇里程碑式的文章。”
我们抓紧时间抢占制高点啊
我们抓紧时间抢占制高点啊
3月中旬，凝聚态物理学界发生了一件大事。由中国科学院物理研究所和清华大学科研人员组成的团队，在国际上首次实现了“量子反常霍尔效应”。
这一成果在美国《科学》杂志上一经发表，立即引起了不小震动。从上世纪80年代开始，有关量子霍尔效应的研究已先后两次斩获诺贝尔奖，可这一家族中的“量子反常霍尔效应”却一直与全世界物理学家捉着迷藏，不肯露出庐山真面目。
但鲜为人知的是，这篇寥寥数页的论文，不仅是科研人员多年心血的结晶，更已成为中国科学家协同创新的一个典范。
令人着迷的量子世界
在肉眼看不到的微观世界，粒子有自己独特的一套“生活方式”，它们的行为难以用经典力学去解释，量子力学应运而生。
实际上，量子霍尔效应就是粒子在低温条件下所发生的一种奇特现象。“普通状态的电子是杂乱无章的，它们无序运动，不断发生碰撞。”中科院物理所研究员、北京凝聚态物理国家实验室副主任戴希说，“而处于量子霍尔态的电子则好像置身在一条‘高速公路’上，中间有隔离带，将两个方向的‘车’流隔开。”
也就是说，量子霍尔效应能解决电子碰撞发热的问题，因而在未来的量子计算、量子信息存储方面具有巨大的应用潜力，据此设计新一代大规模集成电路和元器件，将会具有极低的能耗。
尽管前景诱人，但普通的量子霍尔效应却有个麻烦的“拖油瓶”——它的实现需要一个庞大的外加磁场。1988年，美国物理学家霍尔丹提出可能存在一种不需外磁场的量子霍尔效应，也即量子反常霍尔效应。
“外磁场的问题可以用铁磁性材料来解决，但这样一来，物理性质就完全变了，我们需要新的材料体系和物理途径。”戴希说。
可要到哪里找这种特殊材料呢？近几年“火”起来的拓扑绝缘体，给戴希等人提供了新的思路。
2009年，中科院物理所方忠、戴希，美国斯坦福大学教授张首晟等在《自然物理》发表的文章成功预言了Be2Se3等一类三维拓扑绝缘体材料并很快在实验上得以实现。紧接着，2010年，他们又在《科学》上发表了一篇文章，提出在这种拓扑绝缘体膜中掺入磁性离子，将可能实现量子反常霍尔效应。
“我们就像一条串联电路”
文章出来后，戴希觉得自己可以先歇一歇了。“我们的这种方案实现起来极其困难，当时我觉得，没准我头发都白了，也等不到量子反常霍尔效应实现的那一天。”
但实验物理学家不这么想。得知戴希等的成果后，中科院物理所研究员马旭村和副研究员何珂揽下了材料设计与制备的活儿。
“我们生长出样品后，送到清华去测霍尔电阻，然后再拿回来改进，一天跑几个来回很正常。”何珂开玩笑说，幸亏两个兄弟单位离得近。
这样的“折返跑”，3年里重复了无数次。据粗略估计，仅是制备掺杂磁性的拓扑绝缘体材料，他们就做了1000次，若加上其他方面的探索，可能还要再上一个数量级。
“这项研究的参与者有三四十人，整个团队就像一条串联电路，我们这些‘电阻’，虽然个头有大有小，但每个人身上通过的电流都是一样的。拿走任何一个‘电阻’，电路都不会通。”戴希感慨，“如果没有这么好的合作模式和流程，很难想象我们会在3年不到的时间里做成这件事。”
“物理学中，很多时候都是实验观察到现象，然后得出理论。他们的研究刚好相反，是一次从理论到实验的完整过程。”中科院院士于渌评价，“从这项工作中可以看出团队合作的重要性，大家优势互补、协同创新，各路能人都凝聚在一起，才可能取得重要的创新成果。”
“歪打正着”的背后
何珂常说，材料制备与其说是科学，不如说是艺术。同样一个材料，换台机器、换个人就可能做不出来，极其考验人的技术与耐心。
这次“手艺人”何珂也遇到了让他几近绝望的事。团队学术带头人、中科院院士薛其坤要他们制备一张厚5纳米的薄膜，同时还要往里掺杂磁性材料，薄膜必须非常平整，凹一纳米或凸一纳米都不行。
“有半年时间，我们一点进展都没有，已经把能用的手段都用完了。”何珂回忆，后来一个学生偶然间把盖住薄膜的覆盖层拿了下来，竟发现数据信号大大增强了。
“这个覆盖层是将薄膜与大气隔离的，大家做实验都用这个。作科学研究，除了要持之以恒外，跳出思维惯式也至关重要。”
另外一个“歪打正着”的例子是中科院物理所研究员吕力，他和他的学生是最晚加入这项工作的一支力量。当时材料制好后，送往清华进行低温量子输运测量，研究人员虽然看到了一些量子反常霍尔效应的迹象，但总达不到理想状态。
难道实验还要降到更低的温度？他们想到了“降温高手”吕力。
中科院物理所在低温实验方面有着几十年的积累，尤其近年来，吕力所在的实验室在低温实验仪器的自主研发上取得了很大突破。2010年，华人诺贝尔奖获得者崔琦专门从美国带了一块材料，来测试物理所这台核绝热去磁系统究竟有多大本事。结果仪器将电子的温度降到了4mK，也就是比绝对零度高0.004℃的低温。
“材料降温容易，但给电子降温很难。”于渌说，“后来量子反常霍尔效应是在30mK的条件下观察到的，我们还有很大的低温空间，还能进行更精密的实验。”
与团队中其他科学家一样，在吕力看似轻松的“临门一脚”背后，是无数次的失败和十数年如一日的坚持。就像吕力自己说的那样：“我们搞科研的，不就是一天到晚跟自己较劲吗？”
这一成果在美国《科学》杂志上一经发表，立即引起了不小震动。从上世纪80年代开始，有关量子霍尔效应的研究已先后两次斩获诺贝尔奖，可这一家族中的“量子反常霍尔效应”却一直与全世界物理学家捉着迷藏，不肯露出庐山真面目。
但鲜为人知的是，这篇寥寥数页的论文，不仅是科研人员多年心血的结晶，更已成为中国科学家协同创新的一个典范。
令人着迷的量子世界
在肉眼看不到的微观世界，粒子有自己独特的一套“生活方式”，它们的行为难以用经典力学去解释，量子力学应运而生。
实际上，量子霍尔效应就是粒子在低温条件下所发生的一种奇特现象。“普通状态的电子是杂乱无章的，它们无序运动，不断发生碰撞。”中科院物理所研究员、北京凝聚态物理国家实验室副主任戴希说，“而处于量子霍尔态的电子则好像置身在一条‘高速公路’上，中间有隔离带，将两个方向的‘车’流隔开。”
也就是说，量子霍尔效应能解决电子碰撞发热的问题，因而在未来的量子计算、量子信息存储方面具有巨大的应用潜力，据此设计新一代大规模集成电路和元器件，将会具有极低的能耗。
尽管前景诱人，但普通的量子霍尔效应却有个麻烦的“拖油瓶”——它的实现需要一个庞大的外加磁场。1988年，美国物理学家霍尔丹提出可能存在一种不需外磁场的量子霍尔效应，也即量子反常霍尔效应。
“外磁场的问题可以用铁磁性材料来解决，但这样一来，物理性质就完全变了，我们需要新的材料体系和物理途径。”戴希说。
可要到哪里找这种特殊材料呢？近几年“火”起来的拓扑绝缘体，给戴希等人提供了新的思路。
2009年，中科院物理所方忠、戴希，美国斯坦福大学教授张首晟等在《自然物理》发表的文章成功预言了Be2Se3等一类三维拓扑绝缘体材料并很快在实验上得以实现。紧接着，2010年，他们又在《科学》上发表了一篇文章，提出在这种拓扑绝缘体膜中掺入磁性离子，将可能实现量子反常霍尔效应。
“我们就像一条串联电路”
文章出来后，戴希觉得自己可以先歇一歇了。“我们的这种方案实现起来极其困难，当时我觉得，没准我头发都白了，也等不到量子反常霍尔效应实现的那一天。”
但实验物理学家不这么想。得知戴希等的成果后，中科院物理所研究员马旭村和副研究员何珂揽下了材料设计与制备的活儿。
“我们生长出样品后，送到清华去测霍尔电阻，然后再拿回来改进，一天跑几个来回很正常。”何珂开玩笑说，幸亏两个兄弟单位离得近。
这样的“折返跑”，3年里重复了无数次。据粗略估计，仅是制备掺杂磁性的拓扑绝缘体材料，他们就做了1000次，若加上其他方面的探索，可能还要再上一个数量级。
“这项研究的参与者有三四十人，整个团队就像一条串联电路，我们这些‘电阻’，虽然个头有大有小，但每个人身上通过的电流都是一样的。拿走任何一个‘电阻’，电路都不会通。”戴希感慨，“如果没有这么好的合作模式和流程，很难想象我们会在3年不到的时间里做成这件事。”
“物理学中，很多时候都是实验观察到现象，然后得出理论。他们的研究刚好相反，是一次从理论到实验的完整过程。”中科院院士于渌评价，“从这项工作中可以看出团队合作的重要性，大家优势互补、协同创新，各路能人都凝聚在一起，才可能取得重要的创新成果。”
“歪打正着”的背后
何珂常说，材料制备与其说是科学，不如说是艺术。同样一个材料，换台机器、换个人就可能做不出来，极其考验人的技术与耐心。
这次“手艺人”何珂也遇到了让他几近绝望的事。团队学术带头人、中科院院士薛其坤要他们制备一张厚5纳米的薄膜，同时还要往里掺杂磁性材料，薄膜必须非常平整，凹一纳米或凸一纳米都不行。
“有半年时间，我们一点进展都没有，已经把能用的手段都用完了。”何珂回忆，后来一个学生偶然间把盖住薄膜的覆盖层拿了下来，竟发现数据信号大大增强了。
“这个覆盖层是将薄膜与大气隔离的，大家做实验都用这个。作科学研究，除了要持之以恒外，跳出思维惯式也至关重要。”
另外一个“歪打正着”的例子是中科院物理所研究员吕力，他和他的学生是最晚加入这项工作的一支力量。当时材料制好后，送往清华进行低温量子输运测量，研究人员虽然看到了一些量子反常霍尔效应的迹象，但总达不到理想状态。
难道实验还要降到更低的温度？他们想到了“降温高手”吕力。
中科院物理所在低温实验方面有着几十年的积累，尤其近年来，吕力所在的实验室在低温实验仪器的自主研发上取得了很大突破。2010年，华人诺贝尔奖获得者崔琦专门从美国带了一块材料，来测试物理所这台核绝热去磁系统究竟有多大本事。结果仪器将电子的温度降到了4mK，也就是比绝对零度高0.004℃的低温。
“材料降温容易，但给电子降温很难。”于渌说，“后来量子反常霍尔效应是在30mK的条件下观察到的，我们还有很大的低温空间，还能进行更精密的实验。”
与团队中其他科学家一样，在吕力看似轻松的“临门一脚”背后，是无数次的失败和十数年如一日的坚持。就像吕力自己说的那样：“我们搞科研的，不就是一天到晚跟自己较劲吗？”
中广网北京4月11日消息(记者刘玉蕾)据中国之声《新闻纵横》报道，昨天(4月10日)，清华大学召开新闻发布会宣布，由清华大学薛其坤院士领衔的中国团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应。该成果3月15日已经在《科学》杂志在线发表，杨振宁教授称这是诺贝尔物理奖级别的论文。
杨振宁：我认为是从中国的实验室里头第一次做出来了，发表出来了诺贝尔奖级的物理学的论文，这个不只是清华大学科学院的喜事儿，我认为也是整个国家发展的一个大喜事。
昨天，诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授高度评价了这项重大发现。什么是量子反常霍尔效应？领衔这次研究团队的薛其坤院士解释：
薛其坤：咱们用一个形象的比喻，计算机芯片里电子的运动几乎可以看成是一个无规律的，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的时候，电子比喻成人的话，运动过程中老碰到很多无序的话它老是要走弯路，走弯路就会造成发热，效率就不高，这是目前晶体管发热的一个重要原因之一。量子霍尔的电子被这个效应定义了一个规则，不像农贸市场的运动非常杂乱了，就像高速公路的汽车一样，按照规则进行。
薛其坤院士解释说，目前，普通量子霍尔效应的产生无法被广泛应用，因为它需要非常强的磁场，成本非常昂贵，比较困难。
薛其坤：要实现这种量子霍尔效应所占的磁场，是地球地磁场的十万倍甚至上百万倍，要产生这样的磁场需要一个非常大的设备，一般来讲的话是和冰箱那么大，一个计算机的芯片很小，显然这种量子霍尔效应很难得到应用。
但量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场，因此这项研究成果将推动新一代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进程。
连线中国科学院理论物理研究所研究员李淼：
霍尔是一位美国物理学家的名字，霍尔效应，量子霍尔效应，量子反常霍尔效应，这三个概念之间有是什么样的关系？
李淼：1879年美国物理学家霍尔发现一个效应，是在一个长方形的导体上发现的，当电流在长度方向流动的时候，如果在导体垂直方向发现一个磁场，就会在宽度方向产生一个新的电流和电压，这个就是霍尔效应。因为霍尔效应在运动和磁场都有感应，所以可以用来做器件，比如说可以来测量磁场，也可以测量运动事故，可以产生新的器件，比如像开关，汽车上面都有应用。
那这个量子反常霍尔效应是什么概念呢？
李淼：霍尔很快获得了诺贝尔物理学奖，霍尔效应在宽度方向那个电压或者导电是成整数倍的朝上翻的，像薛其坤解释的那样，这样的效应需要非常非常强的磁场。过了两年又发现了一个分数量子霍尔效应，分数量子霍尔效应不是整数的翻，而是分数倍的翻，这个霍尔效应也被诺贝尔奖授予了，崔琦教授参与了这一发现。80年代末有一个普林斯顿的物理学家说实际上不需要磁场，也没有量子霍尔效应，当然不需要磁场，叫反常霍尔效应。
3、4年前，包括中国华人物理学家张首晟教授在内的科学家，在理论上预言了一个叫做所谓的拓扑绝缘体，但是不管拓扑绝缘体是什么，它反正是个新的材料，这个发现以后很轰动，张首晟和其他人也获得了很多大奖，这这种材料挡在一种铁磁性的材料上面，用两种材料混合起来，就会发生反常量子霍尔效应，不需要磁场也有量子霍尔了。
霍尔事件就是建立在霍尔效应基础上的事件，它本来就可以用在汽车上面，比如感应器、传感器。反常量子霍尔效应因为它不需要磁场，所以它可以把器件做的非常小，所以这样的话它可以用到我们日常生活的手机上、电脑上。如果今后把材料温度提高到在日常温度之下，有可能还会造出一种非常高速的电网，就是所谓的量子电网。
是不是会大大的提高电脑运行速度？
李淼：对，确实没有办法和现在比了，就是非常非常快的这种电网，根本就我们没有办法想象的。
杨振宁：我认为是从中国的实验室里头第一次做出来了，发表出来了诺贝尔奖级的物理学的论文，这个不只是清华大学科学院的喜事儿，我认为也是整个国家发展的一个大喜事。
昨天，诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授高度评价了这项重大发现。什么是量子反常霍尔效应？领衔这次研究团队的薛其坤院士解释：
薛其坤：咱们用一个形象的比喻，计算机芯片里电子的运动几乎可以看成是一个无规律的，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的时候，电子比喻成人的话，运动过程中老碰到很多无序的话它老是要走弯路，走弯路就会造成发热，效率就不高，这是目前晶体管发热的一个重要原因之一。量子霍尔的电子被这个效应定义了一个规则，不像农贸市场的运动非常杂乱了，就像高速公路的汽车一样，按照规则进行。
薛其坤院士解释说，目前，普通量子霍尔效应的产生无法被广泛应用，因为它需要非常强的磁场，成本非常昂贵，比较困难。
薛其坤：要实现这种量子霍尔效应所占的磁场，是地球地磁场的十万倍甚至上百万倍，要产生这样的磁场需要一个非常大的设备，一般来讲的话是和冰箱那么大，一个计算机的芯片很小，显然这种量子霍尔效应很难得到应用。
但量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场，因此这项研究成果将推动新一代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进程。
连线中国科学院理论物理研究所研究员李淼：
霍尔是一位美国物理学家的名字，霍尔效应，量子霍尔效应，量子反常霍尔效应，这三个概念之间有是什么样的关系？
李淼：1879年美国物理学家霍尔发现一个效应，是在一个长方形的导体上发现的，当电流在长度方向流动的时候，如果在导体垂直方向发现一个磁场，就会在宽度方向产生一个新的电流和电压，这个就是霍尔效应。因为霍尔效应在运动和磁场都有感应，所以可以用来做器件，比如说可以来测量磁场，也可以测量运动事故，可以产生新的器件，比如像开关，汽车上面都有应用。
那这个量子反常霍尔效应是什么概念呢？
李淼：霍尔很快获得了诺贝尔物理学奖，霍尔效应在宽度方向那个电压或者导电是成整数倍的朝上翻的，像薛其坤解释的那样，这样的效应需要非常非常强的磁场。过了两年又发现了一个分数量子霍尔效应，分数量子霍尔效应不是整数的翻，而是分数倍的翻，这个霍尔效应也被诺贝尔奖授予了，崔琦教授参与了这一发现。80年代末有一个普林斯顿的物理学家说实际上不需要磁场，也没有量子霍尔效应，当然不需要磁场，叫反常霍尔效应。
3、4年前，包括中国华人物理学家张首晟教授在内的科学家，在理论上预言了一个叫做所谓的拓扑绝缘体，但是不管拓扑绝缘体是什么，它反正是个新的材料，这个发现以后很轰动，张首晟和其他人也获得了很多大奖，这这种材料挡在一种铁磁性的材料上面，用两种材料混合起来，就会发生反常量子霍尔效应，不需要磁场也有量子霍尔了。
霍尔事件就是建立在霍尔效应基础上的事件，它本来就可以用在汽车上面，比如感应器、传感器。反常量子霍尔效应因为它不需要磁场，所以它可以把器件做的非常小，所以这样的话它可以用到我们日常生活的手机上、电脑上。如果今后把材料温度提高到在日常温度之下，有可能还会造出一种非常高速的电网，就是所谓的量子电网。
是不是会大大的提高电脑运行速度？
李淼：对，确实没有办法和现在比了，就是非常非常快的这种电网，根本就我们没有办法想象的。
：2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与拓扑绝缘体领域的开创者之一张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。
2010年，课题组完成了对1纳米到6纳米（头发丝粗细的万分之一）厚度薄膜的生长和输运测量，得到了系统的结果，从而使得准二维超薄膜的生长测量成为可能。
2011年，课题组实现了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控，使得其体材料成为真正的绝缘体，去除了其对输运性质的影响。
2012年初，课题组在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性，并利用外加栅极电压对其电子结构进行原位精密调控。
2012年10月，课题组终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~25800欧姆——世界难题得以攻克。
课题组克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，最终为这一物理界的预言画上了完美句号。
哦，这不仅仅是一个观测发现，是理论原创到工程实现完全自主，更重要的是这个基础突破对未来的芯片制造有直接的划时代的改进。但愿能加深认识，找出更可行的结构，实现工业化生产。
2010年，课题组完成了对1纳米到6纳米（头发丝粗细的万分之一）厚度薄膜的生长和输运测量，得到了系统的结果，从而使得准二维超薄膜的生长测量成为可能。
2011年，课题组实现了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控，使得其体材料成为真正的绝缘体，去除了其对输运性质的影响。
2012年初，课题组在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性，并利用外加栅极电压对其电子结构进行原位精密调控。
2012年10月，课题组终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~25800欧姆——世界难题得以攻克。
课题组克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，最终为这一物理界的预言画上了完美句号。
哦，这不仅仅是一个观测发现，是理论原创到工程实现完全自主，更重要的是这个基础突破对未来的芯片制造有直接的划时代的改进。但愿能加深认识，找出更可行的结构，实现工业化生产。
http://news.tsinghua.edu.cn/publ ... 3005924483669_.html
清华新闻网4月14日电 4月12日出版的《科学》（Science）杂志在“展望”（Perspectives）栏目刊登美国新泽西州立大学物理与天文系教授Seongshik Oh撰写的题为“完整的量子霍尔家族三重奏”（The Complete Quantum Hall Trio）文章，对由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学物理系和中科院物理所联合组成的实验团队，在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，从实验上首次观测到的量子反常霍尔效应，以及此前发现的量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应进行了评述。
完整的量子霍尔家族三重奏
Seongshik Oh
不需要外磁场的量子霍尔态的实验观测，使人们终于能够完整地演奏量子霍尔效应的三重奏了。
当电流在一个导体薄板中流动时，如果施加一个垂直于薄板平面和电流方向的外加磁场，电荷会在导体薄板内垂直于电流方向的边缘积累，产生一个横向电压VT。这个效应由Edwin Hall（埃德温·霍尔）在1879年发现，称为霍尔效应。由于横向电阻，又称霍尔电阻，定义为VT/I，正比于H/n（H是外加磁场的强度，这里n是样品中的载流子面密度），霍尔效应被广泛用来测量导电材料中的载流子类型（电子型或是空穴型）、浓度和迁移率。然而，上个世纪八十年代人们发现，当载流子被限制在一个二维平面内运动时，在一定的外加磁场下，霍尔电阻变成了精准的常数h/(ve2)，这里h是普朗克常数，e是电子电荷，v是正整数。这个现象被称为量子霍尔效应，它的实现必须有外加磁场的存在。在本期的167页，常翠祖（注：常翠祖为清华大学物理系博士生）等人的文章报道了在磁性拓扑绝缘体薄膜中，横向电阻的精准量子化甚至能够发生在没有外加磁场的情况。这个结果证实了期待已久的量子反常霍尔效应的存在，这是量子霍尔家族的最后一位成员（如图所示）。
量子霍尔家族（括号中的数字表示对应的效应发现的年代）。H表示外加磁场强度，M表示自发磁化强度。这三种量子霍尔效应中，电子都是沿着无耗散的边缘运动，材料内部是绝缘的。霍尔测量是测量一个方向的“净”电荷，对于量子霍尔效应（左侧）来说，边缘的不同自旋方向的电子都是朝着一个方向运动；对于量子自旋霍尔效应（中间）来说，不同自旋方向的电子的运动方向不同；在量子反常霍尔效应（右侧）中，沿边缘运动的只有自旋向下的电子。自旋和电荷运动方向的“锁定”机制和边缘通道的数量取决于材料本身，这里只说明了最简单的情况。
在量子霍尔效应发现不久，人们意识到这种量子化是由于在外磁场下导体内部变得完全绝缘，只有其边缘存在无耗散的一维导电通道的情况下造成的，一维无耗散通道的数量就是整数值v。这种情况下，电子只能够沿着一边向一个方向运动而无法被散射到由绝缘体态隔开的导体的另一边，因为只有另一边才有反方向的运动。当横向电阻量子化时，纵向（电荷流动方向）的电阻会完全变为零。
当人们对量子霍尔效应的理解逐渐成熟后，问题自然出现了：这种无耗散的边缘态是否能够在没有外加磁场的情况下存在？1988年，一个理论学家预言了这种边缘态能够在二维晶格中存在。经历了近20年的探索，这种能够在无外加磁场情况下存在的无耗散边缘态首先在HgTe/CdTe量子阱材料中被发现。然而，由于缺乏外加磁场迫使电流沿单一方向流动，这种材料中同时存在顺时针和逆时针两个方向的边缘态。由于重元素中很强的自旋轨道耦合相互作用，电流方向由电子的自旋方向（自旋向上或是自旋向下）决定。这个现象是量子自旋霍尔效应，也就是自旋霍尔效应的量子化。
如果量子自旋霍尔系统中一个方向的自旋通道能够被抑制，比如，通过铁磁性，这自然的会导致量子反常霍尔效应。铁磁导体中的霍尔电阻由正比于磁场的正常霍尔效应部分和正比于材料磁化带来的反常霍尔效应部分组成。量子反常霍尔效应指的是反常霍尔效应部分的量子化。量子自旋霍尔效应的发现极大地促进了量子反常霍尔效应的研究进程。前期的理论预言指出，量子反常霍尔效应能够通过抑制HgTe系统中的一条自旋通道来实现。遗憾的是，目前还没有能够在这个材料系统实现铁磁性，即而无法实现量子化反常霍尔效应。后来又有理论预言指出，将Bi2 Se3这种拓扑绝缘体材料做薄并且进行磁性掺杂，就有可能能够实现量子霍尔电阻为h/(ve2)的量子反常霍尔效应。这个理论预言被常翠祖等人通过实验证实。
（要在实验上实现量子反常霍尔效应，）常翠祖等人需要战胜一系列非常困难的材料问题。量子反常霍尔效应要求材料的体导电和表面导电通道完全被抑制掉。上面理论预言的Bi2 Se3体系，由于存在不可避免的Se空位缺陷导致的高浓度的电子型掺杂，不能满足实现量子反常霍尔效应的要求。为了避免这个问题，他们选择了（Bi1-x Sbx)2 Te3体系。这个体系中，可以通过改变Sb的组分x，他们能够将费米能级调到铁磁性导致的能隙内的电荷中性点上。通过对材料各种参数进一步的不断优化，他们最终实现了无外加磁场情况下量子化的霍尔电阻。
他们观察到的量子反常霍尔效应的性质是非常稳定的。首先，为了避免自旋翻转散射的影响，观测量子自旋霍尔效应需要微小尺寸的样品，而量子反常霍尔效应能够在几百微米量级的宏观尺度下实现。其次，让人称奇的是，这种严格的量子化能够在具有相当低的迁移率和非零体导电通道的材料中实现。这些都说明量子反常霍尔效应比量子自旋霍尔效应要稳定得多，可以媲美甚至比量子霍尔效应有更强的适应能力。
观测到的量子反常霍尔效应的严格量子化和无耗散通道的存在可能能够用于很多应用中。比如，这种边缘态可以用来作为自旋电子器件所需的的无耗散自旋过滤通道。不需要外加磁场的精准的霍尔电阻可以方便地用来做电阻标准。但是目前谈这些应用还为时过早。这是因为：现有材料体系的铁磁性居里温度还很低，加上材料在其它方面的不尽人意，量子反常霍尔效应只有在极低的温度下才能观察到。然而，通过在材料上的突破，也许在未来的某天你会发现，量子反常霍尔效应会广泛地应用在我们每天使用的移动电子器件上。
清华新闻网4月14日电 4月12日出版的《科学》（Science）杂志在“展望”（Perspectives）栏目刊登美国新泽西州立大学物理与天文系教授Seongshik Oh撰写的题为“完整的量子霍尔家族三重奏”（The Complete Quantum Hall Trio）文章，对由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学物理系和中科院物理所联合组成的实验团队，在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，从实验上首次观测到的量子反常霍尔效应，以及此前发现的量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应进行了评述。
完整的量子霍尔家族三重奏
Seongshik Oh
不需要外磁场的量子霍尔态的实验观测，使人们终于能够完整地演奏量子霍尔效应的三重奏了。
当电流在一个导体薄板中流动时，如果施加一个垂直于薄板平面和电流方向的外加磁场，电荷会在导体薄板内垂直于电流方向的边缘积累，产生一个横向电压VT。这个效应由Edwin Hall（埃德温·霍尔）在1879年发现，称为霍尔效应。由于横向电阻，又称霍尔电阻，定义为VT/I，正比于H/n（H是外加磁场的强度，这里n是样品中的载流子面密度），霍尔效应被广泛用来测量导电材料中的载流子类型（电子型或是空穴型）、浓度和迁移率。然而，上个世纪八十年代人们发现，当载流子被限制在一个二维平面内运动时，在一定的外加磁场下，霍尔电阻变成了精准的常数h/(ve2)，这里h是普朗克常数，e是电子电荷，v是正整数。这个现象被称为量子霍尔效应，它的实现必须有外加磁场的存在。在本期的167页，常翠祖（注：常翠祖为清华大学物理系博士生）等人的文章报道了在磁性拓扑绝缘体薄膜中，横向电阻的精准量子化甚至能够发生在没有外加磁场的情况。这个结果证实了期待已久的量子反常霍尔效应的存在，这是量子霍尔家族的最后一位成员（如图所示）。
量子霍尔家族（括号中的数字表示对应的效应发现的年代）。H表示外加磁场强度，M表示自发磁化强度。这三种量子霍尔效应中，电子都是沿着无耗散的边缘运动，材料内部是绝缘的。霍尔测量是测量一个方向的“净”电荷，对于量子霍尔效应（左侧）来说，边缘的不同自旋方向的电子都是朝着一个方向运动；对于量子自旋霍尔效应（中间）来说，不同自旋方向的电子的运动方向不同；在量子反常霍尔效应（右侧）中，沿边缘运动的只有自旋向下的电子。自旋和电荷运动方向的“锁定”机制和边缘通道的数量取决于材料本身，这里只说明了最简单的情况。
在量子霍尔效应发现不久，人们意识到这种量子化是由于在外磁场下导体内部变得完全绝缘，只有其边缘存在无耗散的一维导电通道的情况下造成的，一维无耗散通道的数量就是整数值v。这种情况下，电子只能够沿着一边向一个方向运动而无法被散射到由绝缘体态隔开的导体的另一边，因为只有另一边才有反方向的运动。当横向电阻量子化时，纵向（电荷流动方向）的电阻会完全变为零。
当人们对量子霍尔效应的理解逐渐成熟后，问题自然出现了：这种无耗散的边缘态是否能够在没有外加磁场的情况下存在？1988年，一个理论学家预言了这种边缘态能够在二维晶格中存在。经历了近20年的探索，这种能够在无外加磁场情况下存在的无耗散边缘态首先在HgTe/CdTe量子阱材料中被发现。然而，由于缺乏外加磁场迫使电流沿单一方向流动，这种材料中同时存在顺时针和逆时针两个方向的边缘态。由于重元素中很强的自旋轨道耦合相互作用，电流方向由电子的自旋方向（自旋向上或是自旋向下）决定。这个现象是量子自旋霍尔效应，也就是自旋霍尔效应的量子化。
如果量子自旋霍尔系统中一个方向的自旋通道能够被抑制，比如，通过铁磁性，这自然的会导致量子反常霍尔效应。铁磁导体中的霍尔电阻由正比于磁场的正常霍尔效应部分和正比于材料磁化带来的反常霍尔效应部分组成。量子反常霍尔效应指的是反常霍尔效应部分的量子化。量子自旋霍尔效应的发现极大地促进了量子反常霍尔效应的研究进程。前期的理论预言指出，量子反常霍尔效应能够通过抑制HgTe系统中的一条自旋通道来实现。遗憾的是，目前还没有能够在这个材料系统实现铁磁性，即而无法实现量子化反常霍尔效应。后来又有理论预言指出，将Bi2 Se3这种拓扑绝缘体材料做薄并且进行磁性掺杂，就有可能能够实现量子霍尔电阻为h/(ve2)的量子反常霍尔效应。这个理论预言被常翠祖等人通过实验证实。
（要在实验上实现量子反常霍尔效应，）常翠祖等人需要战胜一系列非常困难的材料问题。量子反常霍尔效应要求材料的体导电和表面导电通道完全被抑制掉。上面理论预言的Bi2 Se3体系，由于存在不可避免的Se空位缺陷导致的高浓度的电子型掺杂，不能满足实现量子反常霍尔效应的要求。为了避免这个问题，他们选择了（Bi1-x Sbx)2 Te3体系。这个体系中，可以通过改变Sb的组分x，他们能够将费米能级调到铁磁性导致的能隙内的电荷中性点上。通过对材料各种参数进一步的不断优化，他们最终实现了无外加磁场情况下量子化的霍尔电阻。
他们观察到的量子反常霍尔效应的性质是非常稳定的。首先，为了避免自旋翻转散射的影响，观测量子自旋霍尔效应需要微小尺寸的样品，而量子反常霍尔效应能够在几百微米量级的宏观尺度下实现。其次，让人称奇的是，这种严格的量子化能够在具有相当低的迁移率和非零体导电通道的材料中实现。这些都说明量子反常霍尔效应比量子自旋霍尔效应要稳定得多，可以媲美甚至比量子霍尔效应有更强的适应能力。
观测到的量子反常霍尔效应的严格量子化和无耗散通道的存在可能能够用于很多应用中。比如，这种边缘态可以用来作为自旋电子器件所需的的无耗散自旋过滤通道。不需要外加磁场的精准的霍尔电阻可以方便地用来做电阻标准。但是目前谈这些应用还为时过早。这是因为：现有材料体系的铁磁性居里温度还很低，加上材料在其它方面的不尽人意，量子反常霍尔效应只有在极低的温度下才能观察到。然而，通过在材料上的突破，也许在未来的某天你会发现，量子反常霍尔效应会广泛地应用在我们每天使用的移动电子器件上。
这个工作的确是诺贝尔奖级别的，但不见得能拿
我不看好，跟以前宣传的超导一样，这个也要零下200多度，常温下没结果，就是个无用
CDRIVER 发表于 2013-4-14 20:48 ![]()
我不看好，跟以前宣传的超导一样，这个也要零下200多度，常温下没结果，就是个无用
想一下子实用，比较困难。。。。
我不看好，跟以前宣传的超导一样，这个也要零下200多度，常温下没结果，就是个无用
想一下子实用，比较困难。。。。
CDRIVER 发表于 2013-4-14 20:48
我不看好，跟以前宣传的超导一样，这个也要零下200多度，常温下没结果，就是个无用
每项研究都有他的意义所在 没必要立刻追究有用没用
CDRIVER 发表于 2013-4-14 20:48
我不看好，跟以前宣传的超导一样，这个也要零下200多度，常温下没结果，就是个无用
每项研究都有他的意义所在 没必要立刻追究有用没用
jeciq 发表于 2013-4-15 14:58 ![]()
每项研究都有他的意义所在 没必要立刻追究有用没用
研究不能转化为生产力，是非常遗憾的事
现在TG高喊产业转型，可是难度实在是太难了，我们一直在山寨，希望有朝一日能有领先世界的实用技术的产生，那就爽歪歪了。
每项研究都有他的意义所在 没必要立刻追究有用没用
研究不能转化为生产力，是非常遗憾的事
现在TG高喊产业转型，可是难度实在是太难了，我们一直在山寨，希望有朝一日能有领先世界的实用技术的产生，那就爽歪歪了。
CDRIVER 发表于 2013-4-15 15:08
研究不能转化为生产力，是非常遗憾的事
现在TG高喊产业转型，可是难度实在是太难了，我们一直在山寨， ...
但像这个东西属于前沿的研究 不会那么快转化生产力的 但必需要研究 这对未来的意义是重大的 还有不要山寨说的那么难听 搞创新也是有过程的 就像一个人能搞出创新的成果也得经过十几年或几十年的学习吧 打好基础也是必要的
CDRIVER 发表于 2013-4-15 15:08
研究不能转化为生产力，是非常遗憾的事
现在TG高喊产业转型，可是难度实在是太难了，我们一直在山寨， ...
但像这个东西属于前沿的研究 不会那么快转化生产力的 但必需要研究 这对未来的意义是重大的 还有不要山寨说的那么难听 搞创新也是有过程的 就像一个人能搞出创新的成果也得经过十几年或几十年的学习吧 打好基础也是必要的
CDRIVER 发表于 2013-4-15 15:08 ![]()
研究不能转化为生产力，是非常遗憾的事
现在TG高喊产业转型，可是难度实在是太难了，我们一直在山寨， ...
一会反对山寨，一会又反对基础研究。
做基础研究喷不能马上产业转化，做实用技术就说是山寨。
研究不能转化为生产力，是非常遗憾的事
现在TG高喊产业转型，可是难度实在是太难了，我们一直在山寨， ...
一会反对山寨，一会又反对基础研究。
做基础研究喷不能马上产业转化，做实用技术就说是山寨。
九日 发表于 2013-4-15 15:50 ![]()
一会反对山寨，一会又反对基础研究。
做基础研究喷不能马上产业转化，做实用技术就说是山寨。
CD这样的人很多，只要中国做出来的，都是没什么技术含量的。哈哈哈哈，记得这里有人神化IBM的CPU，等到现实说明：IBM的CPU也是普通CPU时，又看见某神话CPU的制造工艺才是技术，才体现高水平。等到中科院微电子所也出来22nm 14nm 7nm .....也许工艺又不是技术了。
一会反对山寨，一会又反对基础研究。
做基础研究喷不能马上产业转化，做实用技术就说是山寨。
CD这样的人很多，只要中国做出来的，都是没什么技术含量的。哈哈哈哈，记得这里有人神化IBM的CPU，等到现实说明：IBM的CPU也是普通CPU时，又看见某神话CPU的制造工艺才是技术，才体现高水平。等到中科院微电子所也出来22nm 14nm 7nm .....也许工艺又不是技术了。