在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，量子霍爾效應(yīng)研究是一個(gè)非常重要的研究方向。量子反?；魻栃?yīng)不同于量子霍爾效應(yīng)，它不依賴于強(qiáng)磁場而由材料本身的自發(fā)磁化產(chǎn)生。在零磁場中就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷?。?988年開始，就不斷有理論物理學(xué)家提出各種方案，然而在實(shí)驗(yàn)上沒有取得任何進(jìn)展。2013年，由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜、清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)上首次觀測到量子反?；魻栃?yīng)。美國《科學(xué)》雜志于2013年3月14日在線發(fā)表這一研究成果。
量子霍爾效應(yīng)，于1980年被德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，是整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中最重要、最基本的量子效應(yīng)之一。它的應(yīng)用前景非常廣泛。
我們使用計(jì)算機(jī)的時(shí)候，會遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動(dòng)沒有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應(yīng)則可以對電子的運(yùn)動(dòng)制定一個(gè)規(guī)則，讓它們在各自的跑道上“一往無前”地前進(jìn)。“這就好比一輛高級跑車，常態(tài)下是在擁擠的農(nóng)貿(mào)市場上前進(jìn)，而在量子霍爾效應(yīng)下，則可以在‘各行其道、互不干擾’的高速路上前進(jìn)?！?/p>
然而，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的磁場，“相當(dāng)于外加10個(gè)計(jì)算機(jī)大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價(jià)格昂貴，不適合個(gè)人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)?！倍孔臃闯；魻栃?yīng)的美妙之處是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小?sup>[1]
1、由于它們體現(xiàn)了二維電子系統(tǒng)在低溫強(qiáng)磁場的極端條件下的奇妙量子行為；
2、這些效應(yīng)可能在未來電子器件中發(fā)揮特殊的作用，可用于制備低能耗的高速電子器件。
理論計(jì)算得到的磁性拓?fù)浣^緣體多層膜的能帶結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的霍爾電導(dǎo)。[2]
?“量子反?；魻栃?yīng)”是多年來該領(lǐng)域的一個(gè)非常困難的重大挑戰(zhàn)，它與已知的量子霍爾效應(yīng)具有完全不同的物理本質(zhì)，是一種全新的量子效應(yīng)；同時(shí)它的實(shí)現(xiàn)也更加困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控。
1988年，美國物理學(xué)家霍爾丹提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng)，但是多年來一直未能找到能實(shí)現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)的材料體系和具體物理途徑。
2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)與張首晟教授等合作，從理論與材料設(shè)計(jì)上 取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓?fù)浣^緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機(jī)制，能形成 穩(wěn)定的鐵磁絕緣體，是實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的最佳體系[Science，329, 61（2010）]。他們的計(jì)算表明，這種磁性拓?fù)浣^緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強(qiáng)度下，即處在“量子反?；魻栃?yīng)”態(tài)。該理論與材料設(shè)計(jì)的突破引起 了國際上的廣泛興趣，許多世界頂級實(shí)驗(yàn)室都爭相投入到這場競爭中來，沿著這個(gè)思路尋找量子反?；魻栃?yīng)。
自1988年開始，就不斷有理論物理學(xué)家提出各種方案，然而在實(shí)驗(yàn)上沒有取得任何進(jìn)展。2006年, 美國斯坦福大學(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年指出了在測量到的霍爾電阻
磁 性摻雜的拓?fù)浣^緣體中實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的新方向。2010年，我國理論物理學(xué)家方忠、戴希等與張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓?fù)浣^緣體有可能是 實(shí)現(xiàn)量子化反常霍爾效應(yīng)的最佳體系。這個(gè)方案引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。德國、美國、日本等有多個(gè)世界一流的研究組沿著這個(gè)思路在實(shí)驗(yàn)上尋找量子反?；?爾效應(yīng)，但一直沒有取得突破。[1]
薛其坤團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近4年的研究，生長測量了1000多個(gè)樣品。最終，他們利用分子束外延方法，生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜（Bi，Sb）2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運(yùn)測量裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應(yīng)。[1]
中國科學(xué)家領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。這一發(fā)現(xiàn)或?qū)π畔⒓夹g(shù)進(jìn)步產(chǎn)生重大影響。
在美國物理學(xué)家霍爾1880年發(fā)現(xiàn)反?；魻栃?yīng)133年后，終于實(shí)現(xiàn)了反常霍爾效應(yīng)的量子化的觀察，這一發(fā)現(xiàn)是相
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理論計(jì)算得到霍爾電導(dǎo)
關(guān)領(lǐng)域的重大突破，也是世界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
由于人們有可能利用量子霍爾效應(yīng)發(fā)展新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件，這將克服電腦的發(fā)熱和能量耗散問題，從而有可能推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)步。然而，普通量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要用到非常強(qiáng)的磁場，因此應(yīng)用起來將非常昂貴和困難。但量子反?；魻栃?yīng)的好處在于不需要任何外加磁場，這項(xiàng)研究成果將推動(dòng)新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，可能加速推進(jìn)信息技術(shù)革命進(jìn)程。[3]
美國科學(xué)家霍爾分別于1879年和1880年發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)。1980年，德國科學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，1982年，美國科學(xué)家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，這兩項(xiàng)成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。[3]
由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜，清華大學(xué)、中科院物理所和斯坦福大學(xué)研究人員聯(lián)合組成的團(tuán)隊(duì)在量子反?；魻栃?yīng)研究中取得重大突破，他們從實(shí)驗(yàn)中首次觀測到量子反?；魻栃?yīng)，這是中國科學(xué)家從實(shí)驗(yàn)中獨(dú)立觀測到的一個(gè)重要物理現(xiàn)象，也是物理學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的一項(xiàng)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。[4]
實(shí)驗(yàn)結(jié)果公布后，薛其坤曾應(yīng)邀去日本作學(xué)術(shù)報(bào)告。作為在世界上和中國科學(xué)家研究水平最相近的“老對手”，日本科學(xué)家給他發(fā)來了郵件，稱贊“這是我在過去十年里聽到的最好的學(xué)術(shù)報(bào)告，我們真沒有想到你們最終發(fā)現(xiàn)了這一美妙現(xiàn)象”，“這非常非常令人激動(dòng)”。
另一位美國知名物理學(xué)家也向課題組發(fā)來郵件，“看到你們的結(jié)果，我真感覺有些嫉妒。但回過頭想起來，這個(gè)工作巨大的難度也確實(shí)讓我們嘆為觀止”。
美國《科學(xué)》雜志的匿名評審則給出了這樣的評價(jià)，“這篇文章結(jié)束了對量子反?；魻栃?yīng)多年的探尋，這是一項(xiàng)里程碑式的工作。我祝賀文章作者們在拓?fù)浣^緣體研究中作出的重大突破?！?sup>[5]
諾貝爾物理獎(jiǎng)得主、清華大學(xué)高等研究院名譽(yù)院長楊振寧教授評價(jià)其為“諾貝爾獎(jiǎng)級的發(fā)現(xiàn)”。