量子反常霍尔效应到底有多“反常”

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对普通人来说，量子反常霍尔效应拗口而晦涩，但在物理学家眼中，它神奇又美妙。

今年是世界首次观测到量子反常霍尔效应10周年。2013年，中国科学院院士薛其坤领衔的科研团队首次在实验上观测到量子反常霍尔效应，实现了这一基础科学领域在世界上的重大突破。那么，量子反常霍尔效应到底有多“反常”，它有哪些实际应用？日前，记者采访了中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤。

量子霍尔效应是一种在外加强磁场下由于朗道能级量子化导致的无耗散的量子输运特性。“在导体两端加上电压以后，电子就会形成定向流动的稳定电流。在这个过程中，电子会不断发生碰撞，碰撞就会产生大家都知道的电阻，从而导致在电子传输过程中会存在能量损耗的现象。”薛其坤进一步解释说，如果在垂直于电流的方向上，进一步加上一个外加的磁场，材料里的电子由于受到磁场的洛伦兹作用力，会在导体一边形成电荷的积累，达到平衡后就会形成稳定的霍尔电压，这就是霍尔效应。

薛其坤补充说，如果外加磁场足够强、温度足够低的时候，导体中间的电子就会在原地打转，但在边界上会形成没有能量损耗的半圆形的导电通道，这就是量子霍尔效应。“量子反常霍尔效应是不需要外加磁场的量子霍尔效应，它是由材料本身的磁性和反常的电子结构造成的。反常就是其‘反常’的根本之处”。

对于量子反常霍尔效应在实际生活中的应用，薛其坤介绍说，量子反常霍尔效应的最美妙之处是不需要任何外加磁场就可以实现电子的量子霍尔态。举个例子来说，长时间使用计算机时，芯片会发热，不但会产生能量的损耗，还会导致我们器件运算速度变慢等一系列问题。处于量子反常霍尔态的材料，在没有外磁场时就可以实现无能耗的电子传输，可以用来发展极低能耗的电子器件芯片。

此外，由于量子霍尔效应需要一个价格不菲、能产生强磁场的庞大设备，因此量子反常霍尔效应的发现为人类突破摩尔定律、发展低能耗集成电路，提供了一个全新的更容易实现的途径。薛其坤透露，科学家还在不停地探索量子反常霍尔效应的更多实际应用。