最近，由中科院物理所和清华大学等机构的科研人员组成的团队，首次成功实现“量子反常霍尔效应”。该结果于3月14日在线发表于美国《科学》杂志。
在凝聚态物理领域，量子霍尔效应研究是一个非常重要的研究方向。发现整数量子霍尔效应与分数量子霍尔效应的科学家分别获得1985年和1998年诺贝尔物理学奖。
“量子反常霍尔效应不同于量子霍尔效应，它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。”项目组成员、中科院物理所副研究员何珂告诉《中国科学报》记者，“量子反常霍尔效应是多年来凝聚态物理领域研究者努力追求的目标，在实验上，这也是一个非常困难的重大挑战。”
何珂表示，该效应实现非常困难，需要精准的材料设计、制备与调控。美国物理学家霍尔丹于1988年提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径，但所需的材料和结构非常难以制备，因此在实验上进展缓慢。2008年，美国斯坦福大学教授张首晟等提出，在拓扑绝缘体的薄膜中引入磁性，将有可能实现量子反常霍尔效应。2009年清华大学薛其坤研究组和中科院物理所马旭村研究组利用分子束外延方法，获得了高质量的Bi2Te3族拓扑绝缘体薄膜。随后，中科院物理所方忠、戴希和斯坦福大学张首晟等，根据理论和材料计算结果，提出在这种拓扑绝缘体薄膜中掺入磁性元素，就会实现量子反常霍尔效应。
这种理论与材料设计的突破引起了国际上的广泛兴趣。最近，中科院物理所和清华大学等机构的科研人员组成团队合作攻关，克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。
《科学》杂志审稿人对此研究给出高度评价，称其为“凝聚态物理界一项里程碑式的工作”。
“不同的团队、不同特长的人在一起工作、共同交流，最终促成了这项成果的达成。”何珂告诉记者。
何珂表示，人们未来有可能利用量子反常霍尔效应无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题。然而，研究人员同时表示，这只是一个愿景，目前的研究距离真正的应用还很遥远。
项目组成员、清华大学教授王亚愚告诉记者，要满足量子化的反常霍尔效应，需要材料满足特别苛刻的要求。“到目前为止，我们对最终实现量子反常霍尔效应的众多因素还不是理解得很透彻，需要进一步深入研究。”王亚愚表示，“现在谈应用还为时尚早。”
温度也是实现量子反常霍尔效应的众多苛刻条件中的一个。“目前，这个效应需要在一个抑制了热扰动的纯净实验环境中才能观察到。”项目组成员、中科院物理所研究员吕力告诉记者，该实验成功时温度接近绝对零度。
“下一步我们主要的努力方向是全面测量材料在极低温下的电子结构和输运性质，寻找更好的材料体系，在更高的温度下实现这一效应。那时，也许我们能对其应用前景作更好的判断。”王亚愚表示。（见习记者孙爱民记者丁佳）
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