由中國(guó)科學(xué)院物理研究所和清華大學(xué)物理系的科研人員組成的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)數(shù)年不懈探索和艱苦攻關(guān)，最近成功實(shí)現(xiàn)了“量子反常霍爾效應(yīng)”。這是國(guó)際上該領(lǐng)域的一項(xiàng)重要科學(xué)突破，該物理效應(yīng)從理論研究到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的全過(guò)程，都是由我國(guó)科學(xué)家獨(dú)立完成。

量子霍爾效應(yīng)是整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要、最基本的量子效應(yīng)之一。它是一種典型的宏觀量子效應(yīng)，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個(gè)完美體現(xiàn)。1980年，德國(guó)科學(xué)家馮•克利青（Klaus von Klitzing）發(fā)現(xiàn)了“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”，于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1982年，美籍華裔物理學(xué)家崔琦（Daniel CheeTsui）、美國(guó)物理學(xué)家施特默（Horst L. Stormer）等發(fā)現(xiàn)“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”，不久由美國(guó)物理學(xué)家勞弗林（Rober B. Laughlin）給出理論解釋，三人共同獲得1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在量子霍爾效應(yīng)家族里，至此仍未被發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)是“量子反常霍爾效應(yīng)”——不需要外加磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)。

圖一，量子反常霍爾效應(yīng)的示意圖，拓?fù)浞瞧接沟哪軒ЫY(jié)構(gòu)產(chǎn)生具有手征性的邊緣態(tài)，從而導(dǎo)致量子反常霍爾效應(yīng)

“量子反常霍爾效應(yīng)”是多年來(lái)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(guó)物理學(xué)家霍爾丹（F. Duncan M. Haldane）提出可能存在不需要外磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)，但是多年來(lái)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)量子反常霍爾效應(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“量子反常霍爾效應(yīng)”態(tài)。該理論與材料設(shè)計(jì)的突破引起了國(guó)際上的廣泛興趣，許多世界頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室都爭(zhēng)相投入到這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中來(lái)，沿著這個(gè)思路尋找量子反常霍爾效應(yīng)。

圖二，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)

在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體材料中實(shí)現(xiàn)“量子反常霍爾效應(yīng)”，對(duì)材料生長(zhǎng)和輸運(yùn)測(cè)量都提出了極高的要求：材料必須具有鐵磁長(zhǎng)程有序；鐵磁交換作用必須足夠強(qiáng)以引起能帶反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致拓?fù)浞瞧接沟膸ЫY(jié)構(gòu)；同時(shí)體內(nèi)的載流子濃度必須盡可能地低。最近，中科院物理所何珂、呂力、馬旭村、王立莉、方忠、戴希等組成的團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團(tuán)隊(duì)合作攻關(guān)，在這場(chǎng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中顯示了雄厚的實(shí)力。他們克服了薄膜生長(zhǎng)、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運(yùn)測(cè)量等多道難關(guān)，一步一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)程鐵磁序以及能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，利用分子束外延方法生長(zhǎng)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(cè)量裝置上成功地觀測(cè)到了“量子反常霍爾效應(yīng)”。該結(jié)果于2013年3月14日在Science上在線發(fā)表，清華大學(xué)和中科院物理所為共同第一作者單位。

圖三，在Cr摻雜的(Bi,Sb)₂Te₃拓?fù)浣^緣體磁性薄膜中測(cè)量到的霍爾電阻

該成果的獲得是我國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期積累、協(xié)同創(chuàng)新、集體攻關(guān)的一個(gè)成功典范。前期，團(tuán)隊(duì)成員已在拓?fù)浣^緣體研究中取得過(guò)一系列的進(jìn)展，研究成果曾入選2010年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展和中國(guó)高校十大科技進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)成員還獲得了2011年“求是杰出科學(xué)家獎(jiǎng)”、“求是杰出科技成就集體獎(jiǎng)”和“中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)”，以及2012年“全球華人物理學(xué)會(huì)亞洲成就獎(jiǎng)”、“陳嘉庚科學(xué)獎(jiǎng)”等榮譽(yù)。該工作得到了中國(guó)科學(xué)院、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和教育部等部門的資助。