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▲量子反常霍爾效應的示意圖，拓撲非乏味的能帶結構形成具有手征性的邊沿態，因而造成量子反常霍爾效應
理論估算得到的磁性拓撲絕緣體多層膜的能帶結構和相應的霍爾濁度
“這個研究成果是從中國實驗室里，第一次發表下來了諾貝爾化學獎級別的論文，這除了是復旦學院、中科院的喜事，也是整個國家發展中喜事。”4月10日，諾貝爾化學獎得主、清華學院高等研究院名譽教授楊振寧院長高度評價了我國科學家的重大發覺——量子反常霍爾效應。
由復旦學院薛其坤教授領銜、清華學院數學系和中科院化學研究所組成的實驗團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。英國《科學》雜志于3月14日在線發表這一研究成果。因為此前和量子霍爾效應有關的科研成果早已3獲諾貝爾獎，學術界好多人士對這項“可能是量子霍爾效應家族最后一個重要成員”的研究給與了極高的關注和期望。這么哪些是量子反常霍爾效應？對它的研究為何造成世界各國科學家的興趣？它的發覺有哪些重大意義？
重要性
突破摩爾定理困局加速推進信息技術革命進程
在認識量子反常霍爾效應之前，讓我們先來了解一下量子霍爾效應。量子霍爾效應，于1980年被英國科學家發覺，是整個匯聚態化學領域中重要、最基本的量子效應之一。它的應用前景十分廣泛。
薛其坤教授舉了個簡單的事例：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、相互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“一往無前”地前進。“這就好比一輛中級街車，常態下是在擁擠的農貿市場上前進，而在量子霍爾效應下，則可以在‘各行其道、互不干擾’的高速路上前進。”薛其坤打了個形象的比喻。
但是，量子霍爾效應的形成須要特別強的磁場，“相當于外加10個計算機大的吸鐵石，這不但容積龐大，并且價錢高昂，不適宜個人筆記本和便攜式計算機。”薛其坤說，而量子反常霍爾效應的美妙之處是不須要任何外加磁場，在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需的電子元件中。
自1988年開始，就不斷有理論化學學家提出各類方案，但是在實驗上沒有取得任何進展。2006年,英國普林斯頓學院張首晟院士領導的理論組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、戴希等與張首晟院士合作，提出磁性參雜的三維拓撲絕緣體有可能是實現量子化反常霍爾效應的最佳體系。這個方案導致了國際學術界的廣泛關注。日本、美國、日本等有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。
薛其坤團隊經過近4年的研究，生長檢測了1000多個樣品。最終，她們借助分子束外延方式，生長出了高質量的Cr參雜（Bi，Sb）2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，并在極高溫輸運檢測裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應。
“量子反常霍爾效應可在未來解決摩爾定理困局問題，它發覺或將帶來下一次信息技術革命，我國科學家為國家角逐了這場信息革命中的戰略制高點。”拓撲絕緣體領域的開創者之一、清華學院特聘專家張首晟院士說。
創新性
讓實驗材料同時具備“速度、高度和靈巧度”
從日本化學學家霍爾丹于1988年提出可能存在不須要外磁場的量子霍爾效應，到我國科學家為這一預言畫上完美句號，中間經過了20多年。課題組成員、中科院化學所副研究員何珂告訴記者：“量子反常霍爾效應實現特別困難，須要精準的材料設計、制備與調控。雖然多年來各國科學家提出幾種不同的實現途徑，但所需的材料和結構十分無法制備，因而在實驗上進展平緩。”
“這就好似要求一個運動員同時具有劉翔的速率、姚明的高度和郭晶晶的靈巧度。在實際的材料中實現以上任何一點都具有相當大的難度，而要同時滿足這三點對實驗化學學家來講是一個巨大的挑戰。”課題組成員、清華學院王亞愚院長這樣描述實驗對材料要求的嚴苛程度。
實驗中，材料必須具有鐵磁性因而存在反常霍爾效應；材料的能帶結構必須具有拓撲特點因而具有導電的一維邊沿態，即一維導電通道；材料的體內必須為絕緣態因而對導電沒有任何貢獻，只有一維邊沿態參與導電。
2010年，課題組完成了對1納米到6納米（毛發絲粗細的萬分之一）長度薄膜的生長和輸運檢測，得到了系統的結果反常霍爾效應反常霍爾效應，因而促使準二維超薄膜的生長檢測成為可能。
2011年，課題組實現了對拓撲絕緣體能帶結構的精密調控，致使其體材料成為真正的絕緣體，去不僅其對輸運性質的影響。
2012年初，課題組在準二維、體絕緣的拓撲絕緣體中實現了自發長程鐵磁性，并借助外加基極電流對其電子結構進行原位精密調控。
2012年10月，課題組總算發覺在一定的外加集電極電流范圍內，此材料在零磁場中的反常霍爾內阻達到了量子霍爾效應的特點值h/e2—25800歐姆——世界困局得以攻破。
課題組克服薄膜生長、磁性參雜、門電流控制、低溫輸運檢測等多道難關，一步一步實現了對拓撲絕緣體的電子結構、長程鐵磁序以及能帶拓撲結構的精密調控，最終為這一化學現象的實現畫上了完美的句號。
“下一步我們主要的努力方向是全面檢測材料在極高溫下的電子結構和輸運性質，找尋更好的材料體系，在更高的氣溫下實現這一效應。那時，其實我們能對其應用前景作更好的判別。”王亞愚告訴記者。
外界評說
這是匯聚態化學界一項里程碑式的工作
“實驗成果下來之后，量子霍爾效應的發覺者給我發了一封電郵。他寫道：我堅信拓撲絕緣體和量子反常霍爾效應是科學王冠上的名星。”張首晟向記者展示了這封電郵。
《科學》雜志的一位審稿人說：“這項工作毫無疑惑地否認了與普通量子霍爾效應不同來源的單通道邊沿態的存在。我覺得這是匯聚態化學學一項特別重要的成就。”另一位審稿人說：“這篇文章結束了多年來對無朗道基態的量子霍爾效應的追尋。這是一篇里程碑式的文章。”
