技术:一文读懂量子反常霍尔效应，未来科技革命有望产生

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资料来源:中国科普博览会

年度国家科学技术奖励大会于年1月8日在北京召开，由中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤教授领导的清华大学、中国科学院物理研究所实验小组完成的“量子异常霍尔效应实验发现”项目是今年国家自然科学奖中唯一的

这一年发表的研究事业被称为中国本土实验室产生的诺奖级重大成果，5年后获得了代表我国自然科学类研究最高成果的国家自然科学奖一等奖，名副其实。 那么，量子异常霍尔效应到底是什么物理现象，其发现为什么能引起这么大的反响，利用它真的能制造下一代电子计算机吗？

这个副本从古典电磁学中的霍尔效应开始，逐渐向各网民展示现在固体物理学研究的前沿。

霍尔效应——老树开新花

“量子异常霍尔效应”的名字有“霍尔效应”这个中心词，无论多么“量子”，多么“异常”，认识到祖先的归宗后本质上就是“霍尔效应”。 这个电磁学行业的经典效果是在140年前发现的，现在已经成为高中物理教科书的重要复印件。 我们会进行简单的评论，唤醒网民长时间沉睡的记忆。

霍尔效应是指，如果将带状导体放入与其表面垂直的磁场，在长度方向上流通电流，则导体内的电荷因洛伦兹力而偏向导体的长边，在导体内部的宽度方向上产生(霍尔)电压的现象。 下面的图像非常清楚地代表了霍尔效应的产生原理。

明明是第一个

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结果，没有通过的通过没有通过的电，电磁，

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顺便说一下

举个也不太准确的例子，宏观世界的苹果既大又小，苹果的大小连续变化。 微观世界的苹果不是大小连续变化的，相当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。

继续量子霍尔效应的话题，根据高中物理学知识，在无限大的均匀平面磁场中，垂直磁感应线方向入射的初速不为零的电子进行等速圆周运动。 另一方面，在经典的霍尔效应导体中，通电电子因磁场而偏转，但因为偏转半径大，所以在圆周运动未完成之前就在导体侧堆积。

那么，霍尔效应导体中的通电电子有能够在导体内部完成圆周运动的条件吗？ 这样的条件还真的存在！ 在足够低的温度和非常强的施加磁场下，电子的偏转半径显着减少，有可能在导体内部完成圆周运动。

此时的导体内部，似乎存在着无数高速旋转的“陀螺”。 如果施加磁场持续增大，则电子的回旋半径进一步缩小，如果减小到接近电子本身的微观水平，则产生量子效应！ 当产生量子霍尔效应时，导体内部的电子当场环绕，导体边缘电子形成导电路径。

霍尔电阻这个物理量由霍尔电压和通过电流之比定义。 在施加磁场比较小的情况下，霍尔电阻随着施加磁场的增加而增加，两者显示出线性关系。 如果施加磁场持续增加到某个值，霍尔电阻就不会变化。 施加磁场进一步增加时，霍尔电阻突然上升到新阶段，曲线整体呈阶梯状。 这种不连续的一些变化趋势是量子效应的显着特征。

不可思议的地方不止这些。 如果我们关注霍尔导体本身的电阻，就会发现霍尔电阻在平台上时，导体本身的电阻会消失。 实际上，此时在导体内部的大区域没有电流流过，电流只流过导体的端部。

量子异常霍尔效应——开启电子技术的新时代

量子霍尔效应在许多魔法中都具有魅力优势，但其产生取决于强烈施加磁场的条件。 这是因为缺乏实用性。 如果开发具备量子霍尔效应的超导芯片，其本身就有低发热、高速等有益的优点，但认为为了维持其运转，可能需要搭载冰箱那样大小的强磁场发生器。

那么，有不依赖强磁场而产生量子霍尔效应的材料吗？ 这种材料是有名的拓扑绝缘体。 自2007年发售以来，拓扑绝缘体在全世界都受到了与石墨烯匹敌的关注度。 薛教授及其团队受其启发，有机地结合了拓扑绝缘体和强磁性材料，实现了低温下无需向外加强磁场即可观测的量子霍尔效应。 为了表现差异，这种新现象被称为量子异常霍尔效应。

量子霍尔效应提供了实现超高性能电子器件的可能路径，大大降低了电路的发热，提高了开关频率和工作速度。 中国科学家首先发现的异常量子霍尔效应，进一步摆脱了强磁场的束缚，有条件地实现了器件的小型化。 如果能进一步处理相关的技术壁垒，提高可用温度，将来有望进一步扩大应用场景。