劉林森
中世紀的西歐，大科學家伽利略在漢堡斜塔成功地完成了自由落體實驗，進而否定了唐代大學者亞里士多德關于物體降落的速度和該物的重量成反比關系的理論，由此蜚聲于世。19世紀的法國數學學家霍爾，同樣懷疑和推翻了美國化學學家、電磁學權威麥克斯韋關于某一電磁現象的論斷，經過堅苦的探求和實驗，“霍爾效應”問世了。新聞界將霍爾的成功譽為“過去50年中電學領域最重要的發覺”。
霍爾學院結業后在韓國南部的田納西當了三年小學教員，于1877年考入霍普金斯的研究生院，師從羅蘭院長攻讀化學。在羅蘭開辦的課程中，麥克斯韋的《電磁學》被指定為教科書。當他讀這本書時，對麥克斯韋的一段闡述倍感詫異，并進一步形成了懷疑。麥克斯韋在他的《電磁學》中寫道：“在導線中流動的電壓本身完全不受附近吸鐵石或其他電壓的影響……”霍爾工作學習既很認真，又不純粹為權威和書本所禁錮。當他閱讀到這句話時，憑直覺倍感雖然和普通的數學知識相矛盾。不久，他又讀了美國化學學家埃德崇信院士的一篇文章，文中明晰地假設：“電流受吸鐵石的作用，恰如載流導線受吸鐵石的作用一樣。”霍爾發覺這兩個學術權威的論據不一致，相信哪一位呢？既不迷信權威，又有探求精神的霍爾決心解開這個科學之謎。他在羅蘭院士的支持鼓勵下，進行了多次實驗，經受了多次失敗后，最終霍爾發覺通過金箔條的電壓在磁場里形成一個電勢，其方向與電壓和磁場垂直。這個效應后來以它的發覺者的名子命名為“霍爾效應”，當時霍爾僅24歲。
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步入量子熱學領域
常年以來“霍爾效應”被廣泛用于電子元元件的設計中，比如在車輛開關電路上因為設計了功率霍爾電路獲得了抑制電磁干擾的功能。由于車輛的手動化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁干擾。車輛上有許多家具和家電件在開關時會形成浪涌電壓，使機械式開關觸點形成電弧，從而引起較大的電磁干擾訊號，而使用功率霍爾開關電路就可以避免這種現象的發生，因而保證車輛行駛的安全性。在發覺霍爾效應1年后的1880年，霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應時又發覺，雖然不加外磁場也可以觀測到霍爾效應，這些零磁場中的霍爾效應就是反常霍爾效應。反常霍爾效應與普通的霍爾效應在本質上完全不同，由于這兒不存在外磁場對電子的洛倫茲力而形成的運動軌道偏轉，反常霍爾濁度是因為材料本身的自發磁化而形成的，因而是一類新的重要化學效應。
100年后，“霍爾效應”被引入量子熱學領域。1980年，美國科學家馮·克利青發覺整數量子霍爾效應。1982年，法國科學家崔琦和施特默發覺分數量子霍爾效應，這兩項成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾化學學獎。量子霍爾效應之所以這么重要，一方面是因為它們彰顯了二維電子系統在高溫強磁場極端條件下的奇妙量子行為；另一方面，這種效應可能在未來電子元件中發揮特殊的作用，有望通過開發低煤耗的高速電子元件進而推動新一輪信息技術革命。此前，在量子霍爾效應家族里尚未被發覺的效應是量子反常霍爾效應——不須要外加磁場的量子霍爾效應。
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最后一個重要成員
發覺量子反常霍爾效應是多年來該領域的一個極其困難的重大挑戰，它與已知的量子霍爾效應具有完全不同的化學本質，發覺這些全新的量子效應須要精準的材料設計、制備與調控，進而實現上去也更為困難。1988年，印度數學學家霍爾丹提出可能存在不須要外磁場的量子霍爾效應，而且多年來始終無法找到能實現這一特殊量子效應的材料體系和具體的化學途徑。中國科學家百折不撓，由復旦學院薛其坤教授領銜的科研團隊在量子反常霍爾效應研究中總算取得了重大突破，她們從實驗中首次觀測到量子反常霍爾效應，這是數學學領域基礎研究的一項重要科學發覺，由于量子反常霍爾效應被覺得可能是霍爾效應家族的最后一個重要成員。
常年以來的實踐否認，量子霍爾效應的重要性在于它可能在未來電子元件中發揮特殊的作用。我們使用計算機的時侯，會碰到計算機發熱、能量耗損、速度變慢等問題，這是由于常態下芯片中的電子運動沒有特定的軌道，會出現互相碰撞因而發生能量耗損。而量子霍爾效應則可以對電子的運動制訂一個規則，讓它們在各自的跑道上毫無妨礙地前進。薛其坤教授用一個生動的比方詮釋這個原理：“計算機芯片里電子的運動幾乎是毫無規律，從晶體管的電極一端抵達另一端的時侯，如同從農貿市場的一端抵達另一端，將電子比喻成人的話，運動過程中總是無序，因而老是要走彎路，走彎路就要多耗能而導致發熱，效率就不高，這是目前晶體管發熱的重要誘因之一。量子霍爾的電子被這個效應定義了一個規則，有了這個規則，就不會像人在農貿市場里的運動那樣零亂了，而是像行駛在高速道路上的車輛一樣，根據規則有序進行。”
量子反常霍爾效應因為不須要外加磁場，因而在應用方面比此前發覺的那兩種量子霍爾效應要便捷得多，可以促進新一代低煤耗晶體管和電子學元件的發展，從根本上解決芯片發熱等問題。因而從理論研究和實驗上實現量子反常霍爾效應，就成為世界匯聚態化學學家關注的焦點。自1988年開始，不斷有理論化學學家提出各類解決方案，但在實驗上都無法取得進展。2006年,英國耶魯學院張首晟院長成功地預言了二維拓撲絕緣體中的量子載流子霍爾效應，并于2008年強調了在磁性參雜的拓撲絕緣體中實現量子反常霍爾效應的新方向。
2010年，我國理論化學學家方忠、戴希等與張首晟院長合作，提出磁性參雜的三維拓撲絕緣體有可能是實現量子反常霍爾效應的最佳材料體系。這個方案導致了國際學術界的廣泛關注。英國、美國、日本等多個世界一流的研究組順著這個思路在實驗上找尋量子反常霍爾效應，但仍然沒有取得突破。最終中國科學家成功了，由薛其坤教授帶領的團隊經過近4年的研究，生長檢測了1000多個樣品，借助分子束外延方式，生長出了高質量的拓撲絕緣體。這是一種性能奇特的量子材料，既具有拓撲非乏味的絕緣性體電子結構，又具有受時間反演對稱性保護的金屬性表面態。隨后她們又制備出不依賴于自旋類型和含量的鐵磁性拓撲絕緣體薄膜，為發覺與理論預期相符的反常霍爾效應掃除了最后的障礙。
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跨越“摩爾定理”
20世紀人類取得的重大成就之一是計算機的發明。現在人類的工作、生活都已離不開計算機，但我們現今使用的計算機還處于大規模集成電路時代。近半個世紀以來，計算機的性能價錢比基本秉持著知名的“摩爾定理”：芯片的集成度和性能每18個月提升一倍。但是，隨著半導體加工工藝的進步，人們預期在不遠的將來半導體集成電路中晶體管的規格將達到10納米的尺度，因此借助提升集成電路的密集度來降低估算能力將不太可能。怎么進一步提升估算能力，已是計算機發展面臨的重大挑戰。為此，欲使計算機持續更新換代，就必須跨越“摩爾定理”這個規則。自從發覺了量子之后，科學家對突破這個困局寄寓無限希望，由于量子的奇特化學特點突破了傳統計算機的估算模式，足以讓電子計算機運行速率實現質的突破，而量子反常霍爾效應的發覺更是在研發量子計算機的公路上跨出了關鍵的一步。
在現代計算機的二補碼物理中，每位比特都是0或1。科學家構想，假如一行原子中的每位電子都可以同時在兩個或兩個以上的位置出現，我們就可以借助那些位置進行估算，指數的力量都會顯示下來，而量子的特點就才能“分身有術”。我們假定一個量子比特，即量子位，還能同時代表兩個值，這么聯在一起的兩個量子位就可以同時表示四個值，三個量子位能夠同時表示八個值，以這種推。20個量子位就能同時表示的值將接近100萬個。借助這些指數下降的力量，就可以解決任何以指數方式擴大的問題，而現實生活中有好多十分重要的實際須要都屬于這種類型。諸如，目前我們還不能確切地預測氣候、天彰顯象或交通狀況，也不能確切預測多種病毒是否會出現變異，由于這種問題涉及的變量數以及變量之間可能存在的互相作用對于目前最先進的計算機來說仍是個天文數字反常霍爾效應，但在量子計算機面前不過是小菜一碟，完全可以迎刃而解。
人類文明的美好展望
與量子霍爾效應相關的發覺之所以屢獲學術大獎，是由于量子霍爾效應在應用技術中非常重要，國民經濟和日常生活中好多高精確度電子元元件的設計原理都來自量子霍爾效應。量子霍爾效應在具體應用中的不足之處是，設備運行中須要形成相當硬度的磁場，因而至今沒有廣泛應用于個人筆記本和便攜式計算機上，由于要形成所需的磁場不但投入成本高昂，并且設備容積還得有如家具這么大。因為量子反常霍爾效應具有不須要磁場這個重要特點，工程師就可以將元元件設計得十分小，完全能適用于低端手機、電腦以及其它領域。若果今后將形成量子反常霍爾效應的材料工作體溫提升到日常氣溫范圍反常霍爾效應，實際應用領域更將明顯擴大，比如屆時將出現超高速的電網，除了可實現高效輸電，并且可大大節省能源和增加成本。
倘若讓科學家們預測在大概20年后量子科學會給世界帶來什么變化，她們的想像力都會瘋狂地馳騁上去。最普遍的一項預測就是，人們會聽到──準確地說，我們根本看不見——計算機無所不在，畫在墻壁的、鑲在沙發里的……還有植入你身體內部的，它們互相之間保持著不斷的聯絡，并且須要的電力一點也不比從空中接收無線電頻度多。更有科學家展望：“想象未來我們將不再使用便攜式筆記本，也不再使用手機。我們會把它戴在頭上。它弄成了一根發帶。并且我們也不須要屏幕了，計算機會和左腦直接聯接在一起。”因此可以說量子計算機將掀起一場劃時代的科學革命，因為其強悍的估算能力，可以解決電子計算機無法或不能解決的問題，為人類提供一種性能強悍的新型模式的運算工具，大大提高人類剖析、解決問題的能力，將全方位急劇深化各領域的科學研究。可以說人類一旦把握了這些強悍的運算工具，人類文明將發展到嶄新的時代。
量子科學蘊藏著巨大的經濟、社會、軍事價值，量子反常霍爾效應的發覺喻示新時代的將至。科學探求永無止境，未來要走的路還很長。目前的成就主要限制于量子反常霍爾效應只有在超高溫條件下(絕對零度即零下273攝氏度以下)能夠觀察到，可以想像，一旦突破了體溫的禁錮而在溫度環境下做到這一點，這么制造出iPad平板筆記本大小的超級計算機將是水到渠成的事。展望未來，量子反常霍爾效應的發覺奏響了新一輪信息技術革命的挺進號，中國在實現這場信息革命上將做出寶貴的貢獻。
