制作：大阪大学 张昊
监制：中国科学院计算机网络信息中心
2019年1月8日，在北京举行了2018年度国家科技奖励大会 ，经由中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤教授所领导的清华大学，以及中科院物理研究所的实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”这个项目 ，荣获了本年度国家自然科学奖项里唯一的一等奖。
2013年发表的这项研究工作，被称作是在中国本土实验室诞生的诺奖级重大成果，五年后，获得了代表我国自然科学类研究最高成就的国家自然科学奖一等奖，这可谓是实至名归。那么，量子反常霍尔效应究竟是怎样的一种物理现象呢，它的发现为何能够引起这般巨大的反响呢，利用它真的可以造出下一代电子计算机吗？
这篇文章会以经典电磁学里的霍尔效应作为起始点，一步一步引领各位读者，去稍稍了解一下当今固体物理学研究的最为前沿之处。
霍尔效应——老树开新花
不太容易看出来，“量子反常霍尔效应”的名称当中具有“霍尔效应”这个处于核心位置的词，不管是怎样的“量子”状态，不管是如何的“反常”情形，追溯根源之后，本质上依旧是一种“霍尔效应”。这一存在于电磁学范畴的经典效应，于140年前被发现，如今已然成为高中物理课本里的关键内容。我们暂且进行一回简单的回顾，唤起各位读者长久以来沉睡的记忆。
有一种现象被称作霍尔效应，即在把条形导体放置到和其表面相互垂直的磁场当中，并且在长度方向让电流通过时，导体内的电荷会在洛伦兹力的作用之下，朝着导体的某条长边偏向过去，进而在导体内部宽度方向上产生（霍尔）电压。下方的示意图霍尔元件高中物理公式，极其清晰地展现了霍尔效应的产生原理。
霍尔效应示意图，作者Peo
最初，自由电子在未通电的导体内部做不规则的杂乱运动。
动图1：未通电导体中无规则运动的电子，来源：中国科普博览
当在两端外接电源上进行导线连接，从而在接入使得回路得以形成之后，电流会朝着导体进行流过，在导体内的电子会做出沿着其导体长度方向的持续性漂移运动。
动图2：外加电源形成回路后的导体，来源：中国科普博览
这个时候，再次加入磁场之后霍尔元件高中物理公式，电子受到洛伦兹力的作用，进而发生偏转，而偏转所产生的结果将会让大量电子堆积在导体的一侧，这些堆积起来的电子将会产生纵向电压。
动图3，外加磁场后导电回路中的电子运动，来源：中国科普博览
最终，纵向电压对电子施加的电磁力，会与磁场形成的洛伦磁力达成平衡，进而让后来的电子能够顺利通过，不会发生偏移，在这个时候产生的内建电压，就被称作霍尔电压。
动图4，建立平衡后的导体回路，来源：中国科普博览
从被发现起，历经140余年，霍尔效应在电力电子领域，尤其在传感器等方面，得到了广泛运用。现代汽车上，运用霍尔效应原理制造的霍尔器件涵盖，汽车速度表与里程表，针对各种用电负载的电流检测，以及工作状态诊断，发动机转速及曲轴角度传感器，还有各种抗干扰开关等。
建立霍尔平衡过程的示意图
量子霍尔效应——欢迎进入量子世界！
那霍尔效应的概念自身，相对而言是比较容易被理解的，可是，当它和量子理论相互结合起来的时候，又究竟会碰撞出怎样的火花？
我们清楚，在物理学里边，当探究对象自身的维度踏入微观范畴之时，和我们于宏观世界里头的日常体会彻彻底底不同的量子理论便会把控各项物理规律，这时，好些物理量的持续变动会以间断性变化表现出来，显现出量子特征，比如说那个不太精准的例子，宏观世界的苹果，有大有小，苹果大小能连续变动，可微观世界中的苹果，大小并非连续变动，而是等同于某个基础苹果尺寸的整数倍，不存在其他尺寸的微观苹果。
在量子力学的世界中，很多物理量都是某一基础值的整数倍
接着说量子霍尔效应的话题，高中物理知识表明，在无限大且均匀的平面磁场里，有以垂直于磁感线方向入射、初速不为零的电子，它会做匀速圆周运动。在经典的霍尔效应导体当中，载流电子会在磁场作用下出现偏转，不过因为偏转半径极大，还没完成圆周运动就会在导体一侧堆积。
那么，有没有能促使霍尔效应导体里的载流电子于导体之中达成圆周运动的条件呢？这样的条件确实是存在的！在温度足够低时，以及在外加磁场非常强的情况下，电子的偏转半径会显著变小，进而有可能在导体内部实现圆周运动。
动图5：量子霍尔效应示意图，来源：中国科普博览
这时的导体内部好像有着数目众多的进行高速转动的“陀螺”。倘若外加磁场持续增大，电子的回旋半径会进一步缩小，当这个缩小达到与电子自身相近似的微观程度时，量子效应便产生了！在发生量子霍尔效应之际，导体内部的电子做原地圆周运动，并且导体边缘的电子构成导电通道。
量子霍尔效应的示意图呈现出来，当外面施加的磁场持续不断地增加时，电子的回旋半径持续不停地减小。
我们把霍尔电压与通过电流的比值这种方式，用来定义霍尔电阻这个物理量。当外加磁场程度比较小的时候，这种情况下，霍尔电阻会随着外加磁场数值的增加而增加，这两者呈现出线性关系。当外加磁场持续不断增加到某一个特定值之后，此时霍尔电阻将会维持不变。要是外加磁场进一步加大，那么霍尔电阻将会忽然跃上一个全新的平台，曲线整体呈现出阶梯状。这样一种不连续的变化趋势，恰恰正是量子效应的显著特征。
量子霍尔效应发生时的物理特性
奇妙的所在可不只这般，要是我们一同留意那霍尔导体自身的电阻，我们就会发觉当霍尔电阻处于平台之际，导体自身的电阻不见了！事实上，在这个时候，处在导体内部的广阔范围里是不存在电流通过的，电流仅仅在导体的边缘进行流动。
量子反常霍尔效应——开启电子技术新时代
量子霍尔效应有着诸多神奇且极具魅力的特性，然而它的出现得依靠强外加磁场的条件，所以欠缺实用性。假设开发一款装有量子霍尔效应的超导芯片，虽说该芯片有着发热低、速度高等受益特性，只是维持它运行大概要配置一台冰箱般大小的强磁场发生器，这是我们不能接受的。
那么，是否存在一种材料物业经理人，它能够不依靠强磁场就产生量子霍尔效应呢？这种材料便是大名鼎鼎的拓扑绝缘体。自2007年问世之后，拓扑绝缘体在全球吸引的关注度，堪比石墨烯。薛教授及其团队正是受其启发，把拓扑绝缘体与铁磁性材料进行有机结合，达成了在低温情况下无需外加强磁场就能观测到的量子霍尔效应。为了展现区别，这种新的现象被称作量子反常霍尔效应。
动图6：拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应，来源：中国科普博览
量子霍尔效应给出了一种达成超高性能电子器件的可行路径，它可极大削减电路的发热情况，提升开关频率以及运行速度。中国科学家率先寻觅到的反常量子霍尔效应，又进一步挣脱了强磁场的束缚，具备了实现器件小型化的条件。要是能再解决相关的技术阻碍，提高可用温度，有望在将来进一步扩充应用场景。