这几年，中国科学家其实也做出了许多惊艳全世界的成就，比如今年才23岁的曹原发现了当两层石墨烯以一个“魔角”扭曲在一起时，就能在零电阻下导电，开创了物理学一个全新的研究领域，有望最终实现能源利用率与能源运输效率的提高。他的两篇研究论文直接在一天之内以连刊的方式登上了《自然》杂志，当然最重要的是两篇论文的第一作者都是他自己，那个时候他才年仅22岁。还有王贻芳领导的团队发现了中微子的第三种震荡模式，发现前两种震荡模式的科学家都获得了诺贝尔奖。还有潘建伟的多光子纠缠及干涉度量。就是根据量子物理原理提供的一种全新方式对信息进行编码、存储、传输和逻辑操作，并对光子、原子等微观粒子进行精确操纵，以确保通信安全和提升计算速度等方面可以突破经典信息技术的瓶颈，这项技术目前仅中国掌握。而今天我们想要讲的，是清华大学薛其坤，用5年时间不懈探索发现的量子反常霍尔效应，这是他献给世界的诺奖级礼物。年，美国物理学家霍尔在研究金属的导电机制时发现，带电粒子（例如电子）在磁场中运动时会受到洛伦兹力的作用发生偏转，那么在磁场中的电流也有可能发生偏转。当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，在导体两端堆积电荷从而在导体内部产生电场，其方向垂直于电流和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力相平衡时，载流子不再偏转。而此时半导体的两端会形成电势差。其中运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力，即磁场对运动电荷的作用力。我们在中学都学习过左手定则的方法，将左手掌摊平，让磁感线穿过手掌心，四指表示正电荷运动方向，则和四指垂直的大拇指所指方向即为洛伦兹力的方向。但须注意，运动电荷是正的，大拇指的指向即为洛伦兹力的方向。反之，如果运动电荷是负的，仍用四指表示电荷运动方向，那么大拇指的指向的反方向为洛伦兹力方向。而载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。霍尔的发现后来被称为“霍尔效应”，这个电势差也被称为霍尔电势差。简单来说，霍尔效应它定义了磁场和感应电压之间的关系。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个横向的作用力，从而在导体的两端产生电压差虽然这个效应多年前就已经被人们知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器，广泛应用于电力系统中。霍尔效应示意图人们按照霍尔效应开发的各种霍尔元件被广泛应用于精密测磁、自动化控制、通信、计算机、航空航天等工业部门和国防领域。按经典霍尔效应理论，霍尔电阻RH(RH=U/I=K.B/d=B/nqd)应随B连续变化并随着n(载流子浓度)的增大而减小，但是到了年，著名物理学家冯·克里津从金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)发现了一种新的量子霍尔效应。他在硅MOSFET管上加两个电极，再把这个硅MOSFET管放到强磁场和极低温下，发现霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现了一系列平台，与这些平台相应的霍尔电阻Rh=h/(ne2)，其中n是正整数1，2，3……。也就是说，这些平台是精确给定的，是不以材料、器件尺寸的变化而转移的。它们只是由基本物理常数h(普朗克常数)和e(电子电荷)来确定。这被称为整数量子霍尔效应，后来科学家还发现了分数量子霍尔效应。当时，物理学者认为除了夸克一类的粒子之外，宇宙中的基本粒子所带的电荷皆为一个电子所带的电荷-e（e=1.6×10-19库伦）的整数倍。而夸克依其类别可带有±1e/3或±2e/3电荷。夸克在一般状况下，只能存在于原子核中，它们不像电子可以自由流动。所以物理学者并不期待在普通凝体系统中，可以看到如夸克般带有分数电子电荷的粒子或激发态。但是在年，华人科学家崔琦和史特莫在二维电子系统中现了分数化的霍尔电阻平台。一开始是发现了和两个平台。之后他们制造出了更纯的样品,更低的温度,更强的磁场.85mK和kG,这是人类第一次在实验室中实现如此低的温度和如此强的磁场(地磁场是mG的量级).这样的实验技术令人叹为观止，他们也因此观察到了更加丰富的结构:他们也因此观察到了更加丰富的结构。他们的发现由此被称为分数量子霍尔效应。冯·克里津获得年诺贝尔物理学奖，而崔琦和史特莫则获得了年诺贝尔奖。到了年，英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。他们俩在年发现了石墨烯中的半整数量子霍尔效应，斩获年的诺贝尔物理学奖。简单来说，量子霍尔效应一般都是在超低温和强磁场等极端条件下出现。在极端条件下，电子的偏转不再像普通霍尔效应中一样，而是变得更加剧烈并且偏转半径变得很小，仿佛就在导体内部围绕着某点转圈圈。也就是说，导体中间的部分电子被“锁住了”，要想导通电流只能走导体的边缘。量子霍尔效应与霍尔效应最大的不同之处在于横向电压对磁场的响应明显不同.横向电阻是量子化的:年12月18日，英国《自然》杂志刊登复旦大学物理学系修发贤课题组的最新研究成果《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》，这也是中国科学家首次在三维空间中发现量子霍尔效应。后来，中国科技大学与其合作团队在《自然》刊登论文表示，他们通过实验验证了三维量子霍尔效应，并发现了金属-绝缘体的转换。他们发现，人们能够通过控制温度和外加磁场实现金属-绝缘体的转化。这种原理可以用来制造“量子磁控开关”等电子元器件。三维量子霍尔效应材料中的电子迁移率都很快，电子能快速传输和响应，在红外探测、电子自旋器件等方面拥有应用前景。再次，三维量子霍尔效应因具有量子化的导电特性，还能应用于特殊的载流子传输系统。这个时候，就要讲到量子反常霍尔效应了，因为霍尔效应实现量子化，有着两个极端苛刻的前提条件：一是需要十几万高斯的强磁场，而地球的磁场强度才不过0.5高斯；二是需要接近于绝对零度的温度。在此背景下，科学家们又提出了一个设想：普通状态下的霍尔现象会出现反常，那么，量子化的霍尔现象是否也能出现反常？如果有，不是就可以解决外加高磁场的先决条件了吗？也就是说量子反常霍尔效应它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。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。我们可以用一个简单的比喻，来说明量子霍尔效应和量子反常霍尔效应之间的关系，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、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上“一往无前”地前进。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。”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。年,美国斯坦福大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向。年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，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

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