內容來源： 量子前哨（ID：Qforepost）
文丨 浪味仙 排版 丨沛賢
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6 月 24 日，2023 年度國家最高科學技術獎在京揭曉，61歲的凝聚態物理領域科學家、清華大學薛其坤院士榮獲中國科技界崇高榮譽。
單憑首次觀測到「量子反常霍爾效應」這一科研成果，此前，薛其坤院士就拿到了兩項均為首次頒給中國籍物理學家的領域最高獎，也被尊敬地稱為「離諾獎最近的物理學家」。
那麽問題來了， 「量子反常霍爾效應」到底是什麽？觀測這一效應的挑戰是什麽？這一現象又有什麽現實價值？今天就來聊聊這些。
1879 年，正在為自己博士畢業論文而廢寢忘食的霍爾（Edwin Herbert Hall），無意間發現了一個有趣的現象。
艾德溫·赫伯特·霍爾
霍爾是約翰·霍普金斯大學博士生，研究方向是麥克斯韋的電磁學，在研究磁鐵和電流相互作用的機制時，霍爾將一片金箔垂直固定住，並在左右兩端通上直流電流，再給金箔施加一個垂直於金箔表面的磁場。
此時，測量金箔上下兩端，發現有電壓產生，稱為霍爾電壓，而這種現象就是霍爾效應，霍爾憑借這一發現順利送出畢業論文。
霍爾效應是一種重要的輸運現象，適用於導體和半導體材料，是包括手機、火箭推進器在內諸多電子元件的基礎 ，且廣泛用於檢測電荷載流子周圍的濃度或磁場或電流大小，1990 年開始，霍爾電阻被用於全球電阻校準。
兩年後的 1881 年，霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應時，再次有了新發現：在不加外磁場時，同樣可以觀測到霍爾效應。也就是說，磁場並不是霍爾效應的必要條件。
這種 零磁場中的霍爾效應，被稱為「反常霍爾效應」 ，對於內建磁性的物質，比如鐵，不需要外加磁場就能實作霍爾效應。
此時的霍爾絕對想不到，自己的 這一發現，竟在 100 年後又有新突破。
1980 年，德國物理學家馮·克利欽在高磁場下研究金屬-氧化物半導體場效應晶體管時，在其中的二維電子氣體中，意外發現霍爾電阻被精確量子化了。
馮·克利欽
換句話說，霍爾效應竟然存在量子力學版本。量子霍爾效應需要在低溫強磁場的極端條件下才能被觀察到，此時霍爾電阻與磁場不再呈線性關系，它表明量子力學現象可以在管控尺度上表現出來。
量子霍爾效應是個統稱，包含整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應，發現者均獲得了諾獎：
1985 年，德國物理學家 馮·克利欽 因為發現了 整數量子霍爾效應 獲得諾獎；
1988 年，美籍華裔物理學家 崔琦 、貝爾實驗室的德國物理學家 施特默 、美國勞倫斯利佛摩國家實驗室的 勞古連 ，因為發現 分數量子霍爾效應 獲得諾獎。
馮·克利欽的諾貝爾獎證書
有一說一，談到實際套用時，量子霍爾效應有個很明顯的限制：需要外加強磁場。量子霍爾效應的產生需要借助非常強的磁場，但產生所需的磁場不僅價格昂貴，而且體積很大，給普及套用增加了不小的阻力。
而量子反常霍爾效應，恰好能夠破除這一限制。
在量子反常霍爾效應中，「反常」指的是在某些特殊材料中，由於材料本身就具備很強的內部磁場，所以無需再外加磁場，就能產生量子霍爾效應。
這樣描述看起來很容易，實際上，量子反常霍爾效應堪稱終極難題，能實作它的材料需要具備非常苛刻的性質。
量子反常霍爾效應最大的挑戰，是要制備出有磁性、有拓撲性質、絕緣的薄膜，而這三種性質對薄膜厚度的要求既相互關聯，又難以用函數準確描述，如同黑盒一般，令人難以確定薄膜的厚度，就好比「要求一個人既像博爾特跑得那麽快，同時還要非常有力量並擁有體操運動員的技巧」。
拓撲絕緣體是一種神奇且有趣的量子現象，像陶瓷碗表層鍍了一層極其薄（約 1 納米）的導電金膜。有趣的是這個金膜無法被去除，神奇的是就算你強行用刮刀去除金膜，它也會立刻自發地產生新的金膜，除非將這種材料徹底分解成原子，否則這層附在表面地金膜將永不消失。
而磁性拓撲絕緣體則更為神奇，透過在材料中引入磁性，會自動去掉陶瓷碗大部份的金膜，只剩下邊緣部份，但邊緣上的金膜也是去不掉的。
薛其坤院士團隊用來實驗的材料樣品，是用原子一層一層鋪上去的，厚度僅有 5 納米，約為頭發絲的十萬分之一 ，制備難度可想而知。四年間，制備出的樣品數量高達一千多，無數次的改進、創新，用掃描隧道顯微鏡這只明亮的「眼睛」，對材料進行深刻把控，終於在 2012 年底，薛其坤院士團隊制備出的 Cr 摻雜的 (Bi,Sb)2Te3 磁性拓撲絕緣體薄膜，在世界上首次用實驗漂亮地證明了這種奇妙量子態的真實存在。
薛其坤院士指導研究團隊學生
量子反常霍爾效應有望推動低能耗的晶體管和電子器件的發展，克服目前電腦發熱耗能等帶來的一系列問題。憑借這一科研成果，薛其坤院士拿到了均為首次頒給中國籍物理學家的兩項領域最高獎： 2020 年國際低溫物理最高獎——菲列茲倫敦獎，2024 年國際凝聚態物理最高獎——奧利弗巴克利獎。
美國新澤西州立大學物理與天文系教授 Seongshik Oh，在【科學】雜誌上發表文章中指出：「它（量子反常霍爾效應） 使人們終於能夠完整地演奏量子霍爾效應的三重奏」。
在量子霍爾效應研究歷史中，出了四個諾貝爾物理學獎獲得者，他們的工作都是需要磁場的量子霍爾效應， 而量子反常霍爾效應是唯一一個不需要磁場的量子霍爾效應，也是量子霍爾效應家族中最後一個重要成員 ，它的出現讓霍爾效應這個大家族有了添丁之喜，目前這一家族成員有霍爾效應、反常霍爾效應、自旋霍爾效應、量子霍爾效應、量子自旋霍爾效應，以及量子反常霍爾效應。
關於量子霍爾效應的每一次科研突破，都是一顆新的諾獎種子，所以 61 歲憑實力拉低國家最高科學技術獎得主平均年齡的薛其坤院士，也被尊敬地稱為「離諾獎最近的物理學家」。
但科學家的世界都是純粹的，沒有什麽比熱愛更重要，對薛其坤院士而言，作為科學家的強烈幸福感，也正是來自於對祖國與科學的誠摯熱愛。
「每個人都要有一種信念。當你有了信念，不管遇到多大的困難、經受著什麽樣的考驗，都會因為有堅定的信念而篤定向前、樂此不疲。」
參考資料：
1、【量子科技：領導幹部公開課】
2、【朗讀者Ⅱ】
