2010年左右，包括中國華人物理學(xué)家張首晟教授在內(nèi)的科學(xué)家，在理論上預(yù)言了一種叫做拓?fù)浣^緣體的新的材料，拓?fù)浣^緣體就是內(nèi)部絕緣、表面導(dǎo)電的拓?fù)洳牧希@些表面導(dǎo)電通道不受表面形貌、非磁雜質(zhì)等的影響，所以是很好的一維導(dǎo)體。如果在其中摻入磁性原子形成長程鐵磁序，這樣無需外加磁場，就能形成穩(wěn)定的基本沒有耗散的量子反常霍爾效應(yīng)。

如何用實(shí)驗(yàn)來證明上述理論呢？用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子反常霍爾效應(yīng)的關(guān)鍵是制備出一種像石墨烯那樣，一層一層平整的納米材料。

（圖片來源：https://upload-images.jianshu.io/upload_images/3390801-9d68ccd2108f9fc4.jpg） 量子反常霍爾效應(yīng)對材料性質(zhì)的要求非常苛刻，如同要求一個人同時(shí)具有短跑運(yùn)動員速度、籃球運(yùn)動員高度和體操運(yùn)動員靈巧：材料能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦詮亩哂袑?dǎo)電的一維邊緣態(tài)；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反常霍爾效應(yīng)；材料體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而只有一維邊緣態(tài)參與導(dǎo)電。在實(shí)際材料中實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都具有相當(dāng)大的難度，而要同時(shí)滿足這三點(diǎn)對實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來講更是巨大挑戰(zhàn)。

自2009年起，中國科學(xué)院院士薛其坤帶領(lǐng)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)向量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)發(fā)起沖擊。歷經(jīng)四年努力，團(tuán)隊(duì)生長和測量了1000多個樣品，利用分子束外延的方法生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，將其制備成輸運(yùn)器件，并在極低溫環(huán)境下對其磁電阻和反常霍爾效應(yīng)進(jìn)行了精密測量。終于發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達(dá)到了量子霍爾效應(yīng)的特征值，世界難題得以攻克。

（圖片來源：《科學(xué)》（Science）雜志）

結(jié)語

量子反常霍爾效應(yīng)可在未來解決摩爾定律的瓶頸問題，若應(yīng)用到電子器件中，有望克服目前計(jì)算機(jī)發(fā)熱耗能等帶來的一系列問題，為半導(dǎo)體工業(yè)帶來又一次的革命，甚至使巨型銀河計(jì)算機(jī)變得更加便攜，它的發(fā)現(xiàn)或?qū)硐乱淮涡畔⒓夹g(shù)革命。

編輯：黃飛