清華大學和中國科學院物理研究所今天（4月10日）在北京聯合宣布：由雙方聯合組成的實驗團隊在量子反常霍爾效應研究中取得重大突破，在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，首次觀測到量子反常霍爾效應。相關論文已于近日在《科學》雜志發表。今天，有關專家首次披露了研究與合作的細節，而諾貝爾獎獲得者楊振寧也高度評價了這一成果。

        霍爾效應和反常霍爾效應是130多年前由美國物理學家霍爾發現的。1980年和1982年，德、美科學家先后發現整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應，并分別獲得諾貝爾物理獎。領銜實驗的清華大學薛其坤院士說：“物理學家們認為量子霍爾效應家族中也應該存在量子反常霍爾效應。但如何使其現身并在實驗上觀測到它，成為近些年凝聚態物理學家探索的難題之一。”

        據介紹，2006年，美國斯坦福大學/清華大學張首晟教授領導的理論組成功地預言了二維拓撲絕緣體中的量子自旋霍爾效應，并于2008年提出了在拓撲絕緣體中引入磁性實現量子反常霍爾效應的可能性。2010年，中科院物理所方忠、戴希研究員等與張首晟教授合作，預言了Cr或Fe摻雜的Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3族三維拓撲絕緣體薄膜是實現量子反常霍爾效應的最佳體系。薛其坤說，要在實驗上實現反常霍爾效應的量子化，需要拓撲絕緣體材料同時滿足三項非常苛刻的條件：材料的能帶結構必須具有拓撲特性從而具有導電的一維邊緣態；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反常霍爾效應；材料的體內必須為絕緣態從而對導電沒有任何貢獻。在實際材料中，實現以上任何一點都具有相當大的難度，而要同時滿足這三點對實驗物理學家來講更是一個巨大的挑戰，德國、日本、美國的科學家由于無法在材料中同時滿足這三點而未取得最后的成功。

        清華大學和中科院物理研究所的研究人員，密切合作，協同創新，從2009年開始向量子反常霍爾效應的實驗發起沖擊。4年來，團隊生長和測量了超過1000個樣品，克服了重重障礙，一步步實現了對磁性摻雜拓撲絕緣體高質量薄膜的生長、表面電子態的觀測、特別是對其電子結構、磁有序態和能帶拓撲結構的精密調控，終于在2012年10月觀測到了量子反常霍爾效應，也證實了此前中科院物理研究所與斯坦福大學理論團隊的預言。

        專家指出，量子反常霍爾效應之所以備受國際科技界重視，一個重要原因是它可能在未來電子器件中發揮特殊的作用，可以用于制備低能耗的高速電子器件。假如能把量子霍爾效應引入計算機芯片，將會克服電腦的發熱和能量耗散問題。但這還有很長的路要走。

        諾貝爾獎獲得者楊振寧參加了今天的新聞發布會。他說，發現量子反常霍爾效應這篇論文，是從中國實驗室做出的、具有諾貝爾獎級的物理學的論文。“這不只是清華大學和中科院的喜事兒，也是整個國家發展的大喜事兒。”