我科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)

    清華大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所今天（4月10日）在北京聯(lián)合宣布：由雙方聯(lián)合組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在量子反?；魻栃?yīng)研究中取得重大突破，在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體薄膜中，首次觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)。相關(guān)論文已于近日在《科學(xué)》雜志發(fā)表。今天，有關(guān)專(zhuān)家首次披露了研究與合作的細(xì)節(jié)，而諾貝爾獎(jiǎng)獲得者楊振寧也高度評(píng)價(jià)了這一成果。

        霍爾效應(yīng)和反?；魻栃?yīng)是130多年前由美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。1980年和1982年，德、美科學(xué)家先后發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，并分別獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。領(lǐng)銜實(shí)驗(yàn)的清華大學(xué)薛其坤院士說(shuō)：“物理學(xué)家們認(rèn)為量子霍爾效應(yīng)家族中也應(yīng)該存在量子反?；魻栃?yīng)。但如何使其現(xiàn)身并在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到它，成為近些年凝聚態(tài)物理學(xué)家探索的難題之一。”

        據(jù)介紹，2006年，美國(guó)斯坦福大學(xué)/清華大學(xué)張首晟教授領(lǐng)導(dǎo)的理論組成功地預(yù)言了二維拓?fù)浣^緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng)，并于2008年提出了在拓?fù)浣^緣體中引入磁性實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的可能性。2010年，中科院物理所方忠、戴希研究員等與張首晟教授合作，預(yù)言了Cr或Fe摻雜的Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3族三維拓?fù)浣^緣體薄膜是實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的最佳體系。薛其坤說(shuō)，要在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)反?；魻栃?yīng)的量子化，需要拓?fù)浣^緣體材料同時(shí)滿(mǎn)足三項(xiàng)非?？量痰臈l件：材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦詮亩哂袑?dǎo)電的一維邊緣態(tài)；材料必須具有長(zhǎng)程鐵磁序從而存在反?；魻栃?yīng)；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有任何貢獻(xiàn)。在實(shí)際材料中，實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都具有相當(dāng)大的難度，而要同時(shí)滿(mǎn)足這三點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來(lái)講更是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，德國(guó)、日本、美國(guó)的科學(xué)家由于無(wú)法在材料中同時(shí)滿(mǎn)足這三點(diǎn)而未取得最后的成功。

        清華大學(xué)和中科院物理研究所的研究人員，密切合作，協(xié)同創(chuàng)新，從2009年開(kāi)始向量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)起沖擊。4年來(lái)，團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng)和測(cè)量了超過(guò)1000個(gè)樣品，克服了重重障礙，一步步實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁性摻雜拓?fù)浣^緣體高質(zhì)量薄膜的生長(zhǎng)、表面電子態(tài)的觀測(cè)、特別是對(duì)其電子結(jié)構(gòu)、磁有序態(tài)和能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，終于在2012年10月觀測(cè)到了量子反常霍爾效應(yīng)，也證實(shí)了此前中科院物理研究所與斯坦福大學(xué)理論團(tuán)隊(duì)的預(yù)言。

        專(zhuān)家指出，量子反?；魻栃?yīng)之所以備受?chē)?guó)際科技界重視，一個(gè)重要原因是它可能在未來(lái)電子器件中發(fā)揮特殊的作用，可以用于制備低能耗的高速電子器件。假如能把量子霍爾效應(yīng)引入計(jì)算機(jī)芯片，將會(huì)克服電腦的發(fā)熱和能量耗散問(wèn)題。但這還有很長(zhǎng)的路要走。

        諾貝爾獎(jiǎng)獲得者楊振寧參加了今天的新聞發(fā)布會(huì)。他說(shuō)，發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)這篇論文，是從中國(guó)實(shí)驗(yàn)室做出的、具有諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)的論文。“這不只是清華大學(xué)和中科院的喜事兒，也是整個(gè)國(guó)家發(fā)展的大喜事兒。”