4月12日出版的《科學》（）刊物在“展望”（）欄目刊載日本舊金山州立學院數學與天文系院長Oh撰寫的題為“完整的量子霍爾家族三重奏”（TheHallTrio）文章，對由復旦學院薛其坤教授領銜，復旦學院數學系和中科院化學所聯合組成的實驗團隊，在磁性參雜的拓撲絕緣體薄膜中，從實驗上首次觀測到的量子反常霍爾效應，以及此前發覺的量子霍爾效應、量子載流子霍爾效應進行了評介。
完整的量子霍爾家族三重奏
Oh
不須要外磁場的量子霍爾態的實驗觀測，使人們總算才能完整地彈奏量子霍爾效應的三重奏了。
當電壓在一個導體板材中流動時，假若施加一個垂直于板材平面和電壓方向的外加磁場，電荷會在導體板材內垂直于電壓方向的邊沿積累，形成一個縱向電流VT。這個效應由EdwinHall（埃德溫·霍爾）在1879年發覺，稱為霍爾效應。因為縱向阻值，又稱霍爾阻值，定義為VT/I，反比于H/n（H是外加磁場的硬度，這兒n是樣品中的自旋面密度），霍爾效應被廣泛拿來檢測導電材料中的自旋類型（電子型或是空穴型）、濃度和遷移率。但是，上個世紀八十年代人們發覺，當柵極被限制在一個二維平面內運動時，在一定的外加磁場下，霍爾內阻弄成了精準的常數h/(ve2)，這兒h是普朗克常數，e是電子電荷，v是正整數。這個現象被稱為量子霍爾效應，它的實現必須有外加磁場的存在。在本期的167頁，常翠祖（注：常翠祖為復旦學院化學系博士生）等人的文章報導了在磁性拓撲絕緣體薄膜中，縱向阻值的精準量子化甚至還能發生在沒有外加磁場的情況。這個結果否認了期盼已久的量子反常霍爾效應的存在，這是量子霍爾家族的最后一位成員（如圖所示）。
量子霍爾家族（括弧中的數字表示對應的效應發覺的年代）。H表示外加磁場硬度，M表示自發磁化硬度。這三種量子霍爾效應中，電子都是順著無耗散的邊沿運動，材料內部是絕緣的。霍爾檢測是檢測一個方向的“凈”電荷，對于量子霍爾效應（右邊）來說，邊沿的不同載流子方向的電子都是朝著一個方向運動；對于量子載流子霍爾效應（中間）來說反常霍爾效應，不同載流子方向的電子的運動方向不同；在量子反常霍爾效應（右邊）中，沿邊沿運動的只有載流子向上的電子。載流子和電荷運動方向的“鎖定”機制和邊沿通道的數目取決于材料本身，這兒只說明了最簡單的情況。
在量子霍爾效應發覺不久，人們意識到這些量子化是因為在外磁場下導體內部顯得完全絕緣，只有其邊沿存在無耗散的一維導電通道的情況下導致的，一維無耗散通道的數目就是整數值v。這些情況下，電子只才能順著一邊向一個方向運動而難以被散射到由絕緣體態隔開的導體的另一邊，由于只有另一邊才有反方向的運動。當縱向內阻量子化時，橫向（電荷流動方向）的內阻會完全變為零。
當人們對量子霍爾效應的理解漸漸成熟后，問題自然出現了：這些無耗散的邊沿態是否還能在沒有外加磁場的情況下存在？1988年，一個理論學家預言了這些邊沿態就能在二維晶格中存在。經歷了近20年的探求，這些才能在無外加磁場情況下存在的無耗散邊沿態首先在HgTe/CdTe量子阱材料中被發覺。但是，因為缺少外加磁場促使電壓沿單一方向流動，這些材料中同時存在順秒針和逆秒針兩個方向的邊沿態。因為重元素中很強的載流子軌道耦合互相作用，電壓方向由電子的載流子方向（載流子向下或是載流子向上）決定。這個現象是量子載流子霍爾效應，也就是載流子霍爾效應的量子化。
假如量子載流子霍爾系統中一個方向的載流子通道才能被抑制，例如，通過鐵磁性，這自然的會造成量子反常霍爾效應。鐵磁導體中的霍爾內阻由反比于磁場的正常霍爾效應部份和反比于材料磁化帶來的反常霍爾效應部份組成。量子反常霍爾效應指的是反常霍爾效應部份的量子化。量子載流子霍爾效應的發覺極大地推動了量子反常霍爾效應的研究進程。前期的理論預言強調，量子反常霍爾效應還能通過抑制HgTe系統中的一條載流子通道來實現。遺憾的是，目前還沒有才能在這個材料系統實現鐵磁性，即而未能實現量子化反常霍爾效應。后來又有理論預言強調，將Bi2Se3這些拓撲絕緣體材料做薄而且進行磁性參雜，就有可能就能實現量子霍爾內阻為h/(ve2)的量子反常霍爾效應。這個理論預言被常翠祖等人通過實驗否認。
（要在實驗上實現量子反常霍爾效應，）常翠祖等人須要擊敗一系列特別困難的材料問題。量子反常霍爾效應要求材料的體導電和表面導電通道完全被抑制掉。里面理論預言的Bi2Se3體系，因為存在不可防止的Se空位缺陷造成的高含量的電子型參雜，不能滿足實現量子反常霍爾效應的要求。為了防止這個問題，她們選擇了（Bi1-xSbx)2Te3體系。這個體系中，可以通過改變Sb的組分x反常霍爾效應，她們能否將費米基態調到鐵磁性造成的能隙內的電荷中性點上。通過對材料各類參數進一步的不斷優化，她們最終實現了無外加磁場情況下量子化的霍爾內阻。
她們觀察到的量子反常霍爾效應的性質是十分穩定的。首先，為了防止載流子翻轉散射的影響，觀測量子載流子霍爾效應須要微小規格的樣品，而量子反常霍爾效應還能在幾標頭米量級的宏觀尺度下實現。其次，讓人稱奇的是，這些嚴格的量子化才能在具有相當低的遷移率和非零體導電通道的材料中實現。那些都說明量子反常霍爾效應比量子載流子霍爾效應要穩定得多，可以比肩甚至比量子霍爾效應有更強的適應能力。
觀測到的量子反常霍爾效應的嚴格量子化和無耗散通道的存在可能還能用于好多應用中。例如，這些邊沿態可以拿來作為載流子電子元件所需的的無耗散載流子過濾通道。不須要外加磁場的精準的霍爾內阻可以便捷地拿來做內阻標準。并且目前談這種應用還為時過早。這是由于：現有材料體系的鐵磁性居里氣溫還很低，加上材料在其它方面的不盡人意，量子反常霍爾效應只有在極低的氣溫下能夠觀察到。但是，通過在材料上的突破，其實在未來的某日你會發覺，量子反常霍爾效應會廣泛地應用在我們每天使用的聯通電子元件上。