电子革命的号角

2013年4月10日，清华大学召开新闻会宣布，由清华大学薛其坤院士领衔的中国团队首次在实验室中发现了量子反常霍尔效应。该成果已经在美国的《科学》杂志在线发表，而诺贝尔奖获得者、清华大学教授杨振宁称这是“诺贝尔物理学奖级别的论文”。一时间，相关新闻报道如井喷一般，无数版面都写上了“量子反常霍尔效应”。对普罗大众来说，这个名词既陌生又拗口，它究竟意味着什么呢？

量子反常霍尔效应

1879年，德国物理学家霍尔发现，当固体导体有电流通过，且置于磁场中时，导体内的电子因受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生了电压，这就是霍尔效应。霍尔效应被发现了大约100年之后，德国物理学家克利青在极低温度和强磁场下测量金属—氧化物—半导体场效应晶体管时，发现了量子化的霍尔效应。

一般情况下，导体中电子的运动是杂乱无章的，而经过量子化后，电子的运动就变规则了。薛其坤院士也给出了生动的比喻：“量子霍尔效应可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上前进，就好比一辆高级跑车，常态下是在拥挤的农贸市场里前进，而在量子霍尔效应下，则可以在没有干扰的高速路上前进。”但是，要想实现这样的量子化过程，所需的条件极苛刻，光磁场强度就得要地球磁场的十万倍甚至上百万倍。薛其坤院士及其团队找到了一种拓扑绝缘体，其中存在着特殊的铁磁交换机制，能形成稳定的铁磁绝缘体，即不需要外加磁场也能产生量子霍尔效应。这样的效应被称为量子反常霍尔效应，其大大降低了产生量子霍尔效应的难度。

霍尔效应

如右图所示，一块矩形导体薄片沿x轴方向通以电流（Is），在z轴方向上加以磁场（B）；导体中有大量电子。通电时，这些电子开始自由移动，但由于电子会受到洛伦兹力（fB ）的作用，其运动方向发生了偏转，向fB 方向飘移，使导体的一面积累了过多的电子，相应的另一面会出现带正电的电荷。正负电荷之间会产生电势差，从而产生了一个电压，叫霍尔电压，这个效应就叫霍尔效应。它同时产生一个电场EH，电子也会受到电场力（fE）的作用，方向正好与洛伦兹力相反。当洛伦兹力与霍尔电场力相等时，霍尔电压保持相对稳定。

霍尔效应的应用

要理解量子反常霍尔效应，我们要先明白，霍尔效应有什么作用。

在刚发现霍尔效应时，由于在金属导体中产生的霍尔效应十分微弱，所以人们并没有认识到它的应用价值。随着半导体技术的发展，人们发现，霍尔效应在半导体中十分明显，于是就发明了霍尔元件。

根据霍尔效应，当磁场强度发生变化时，相应的霍尔电压也将随之变化。依据这一原理，由霍尔元件制成的霍尔传感器得到广泛应用，它可以将一些非磁的物理量转变为电学量进行检测和控制。像汽车上的计程表，就是利用霍尔传感器来工作的。

计程表的霍尔效应

右图中的齿轮圈是汽车发动机上的齿轮，它处于霍尔元件中磁铁产生的磁场中。当齿轮的齿对准霍尔元件时，会产生较大的霍尔电压；当齿轮的凹处对准霍尔元件时，霍尔电压会减小。将霍尔元件连接在脉冲发生器上，根据电压强弱的变化可检测出脉冲信号，把它通过A/D转换器后转换成数字，就可显示出汽车的车速、车程等，这就是汽车计程表的原理。

新时代的号角

说起半导体，也许你只能想起收音机。其实，我们的电子产业都建立在半导体之上。量子反常霍尔效应之所以引起如此之大的反响，就在于能降低半导体材料的能量损耗，而这对于我们的电子产业来说，显得尤为重要。

例如，计算机散热芯片就是由半导体制成，由于其内部的电子运动是无序的，相互之间会发生碰撞，产生热量，电脑工作时间一长，就会发热，降低了使用寿命。量子霍尔效应可以解决这个问题，因为当电子运动变得有序时，就能减少能量的消耗，不会产生热量。但是，前文已经讲过，实现量子霍尔效应需要极其苛刻的条件，而量子反常霍尔效应就解决了高磁场强度的问题，更具实用性，被认为是解决了“霍尔效应家族的最后一个问题”。它几乎能解决所有用半导体材料制成的仪器发热的问题，有科学家表示，如果材料问题能进一步突破，那么现在占据数个房间大小的超级计算机，可能缩小到一台笔记本大小，电子产品将更加节能、快速、轻便……人类或许将开启一个全新时代。

但是，目前量子反常霍尔效应只有在超低温条件（0.5开左右）才能观察到，科学家已经摸到了希望的大门，而大门的钥匙，还有待人们继续探索追寻。

（曲婷婷）

诺贝尔奖的青睐

德国物理学家克利青发现量子霍尔效应，以及后来美籍华裔物理学家崔琦和美国物理学家劳克林、施特默共同发现分数量子霍尔效应，他们都获得了诺贝尔物理学奖。为了观测到量子反常霍尔效应，我国的科学家经过了4年的不懈努力，做了1000多次的实验。这一次的成就被认为“最接近诺贝尔物理学奖”。