中國科學家實驗上發現量子反常霍爾效應

　　由中國科學院物理研究所和清華大學物理系的科研人員組成的聯合攻關團隊，經過數年的不懈探索和艱苦攻關，最近成功實現了“量子反常霍爾效應”。這是國際上該領域的一項重要科學突破，該物理效應從理論研究到實驗觀測的全過程，都是由我國科學家獨立完成的。

　　量子霍爾效應是整個凝聚態物理領域最重要、最基本的量子效應之一。它是一種典型的宏觀量子效應，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個完美體現。1980年，德國科學家馮·克利青（Klaus von Klitzing）發現了“整數量子霍爾效應”，于1985年獲得諾貝爾物理學獎。1982年，美籍華裔物理學家崔琦（Daniel CheeTsui）、美國物理學家施特默（Horst L. Stormer）等發現了“分數量子霍爾效應”，不久由美國物理學家勞弗林（Rober B. Laughlin）給出理論解釋，三人分享了1998年諾貝爾物理學獎。在量子霍爾效應家族里，至此仍未被發現的效應是“量子反常霍爾效應”——不需要外加磁場的量子霍爾效應。

　　“量子反常霍爾效應”是多年來該領域的一個非常困難的重大挑戰。首先，它與已知的量子霍爾效應具有完全不同的物理本質，是一種全新的量子效應；其次，它的實現也更加困難，需要精準的材料設計、制備與調控。1988年，美國物理學家霍爾丹（F. Duncan M. Haldane）提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，但是多年來一直未能找到能實現這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領的團隊與張首晟教授等合作，從理論與材料設計上取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓撲絕緣體是實現量子反常霍爾效應的最佳體系［Science，329,61（2010）］。該理論與材料設計的突破引起了國際上的廣泛興趣，許多世界頂級實驗室都爭相投入到這場競爭中來，沿著這個思路尋找量子反常霍爾效應。最近，中科院物理所何珂、呂力、馬旭村、王立莉、方忠、戴希等組成的團隊和清華大學物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團隊合作攻關，在這場國際競爭中顯示了雄厚的實力。他們克服了薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關，一步一步實現了對拓撲絕緣體的電子結構、長程鐵磁序以及能帶拓撲結構的精密調控，最終成功地在Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜中觀測到了“量子反常霍爾效應”。該結果于2013年3月14日在Science上在線發表，清華大學和中科院物理所為共同第一作者單位。

　　該成果的獲得是我國科學家長期積累、協同創新、集體攻關的一個成功典范。前期，團隊成員已在拓撲絕緣體研究中取得過一系列的進展，研究成果曾入選2010年中國科學十大進展和中國高校十大科技進展，團隊成員還獲得了2011年“求是杰出科學家獎”、“求是杰出科技成就集體獎”和“中國科學院杰出科技成就獎”，以及2012年“全球華人物理學會亞洲成就獎”、“陳嘉庚科學獎”等榮譽。該工作得到了中國科學院、科技部、國家自然科學基金委員會和教育部等部門的資助。