由中國科學(xué)院物理研究所和清華大學(xué)物理系的科研人員組成的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊，經(jīng)過數(shù)年不懈探索和艱苦攻關(guān)，最近成功實現(xiàn)了“量子反常霍爾效應(yīng)”。這是國際上該領(lǐng)域的一項重要科學(xué)突破，該物理效應(yīng)從理論研究到實驗觀測的全過程，都是由我國科學(xué)家獨立完成。

量子霍爾效應(yīng)是整個凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要、最基本的量子效應(yīng)之一。它是一種典型的宏觀量子效應(yīng)，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(xiàn)。1980年，德國科學(xué)家馮•克利青（Klaus von Klitzing）發(fā)現(xiàn)了“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”，于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。1982年，美籍華裔物理學(xué)家崔琦（Daniel CheeTsui）、美國物理學(xué)家施特默（Horst L. Stormer）等發(fā)現(xiàn)“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”，不久由美國物理學(xué)家勞弗林（Rober B. Laughlin）給出理論解釋，三人共同獲得1998年諾貝爾物理學(xué)獎。在量子霍爾效應(yīng)家族里，至此仍未被發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)是“量子反常霍爾效應(yīng)”——不需要外加磁場的量子霍爾效應(yīng)。

圖一，量子反常霍爾效應(yīng)的示意圖，拓?fù)浞瞧接沟哪軒ЫY(jié)構(gòu)產(chǎn)生具有手征性的邊緣態(tài)，從而導(dǎo)致量子反常霍爾效應(yīng)

“量子反常霍爾效應(yīng)”是多年來該領(lǐng)域的一個非常困難的重大挑戰(zhàn)，它與已知的量子霍爾效應(yīng)具有完全不同的物理本質(zhì)，是一種全新的量子效應(yīng)；同時它的實現(xiàn)也更加困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計、制備與調(diào)控。1988年，美國物理學(xué)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(yīng)，但是多年來一直未能找到能實現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)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(lǐng)的團(tuán)隊與張首晟教授等合作，從理論與材料設(shè)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?fù)浣^緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機(jī)制，能形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體，是實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的最佳體系［Science，329, 61（2010）］。他們的計算表明，這種磁性拓?fù)浣^緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強(qiáng)度下，即處在“量子反常霍爾效應(yīng)”態(tài)。該理論與材料設(shè)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(yīng)。

圖二，理論計算得到的磁性拓?fù)浣^緣體多層膜的能帶結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的霍爾電導(dǎo)

在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體材料中實現(xiàn)“量子反常霍爾效應(yīng)”，對材料生長和輸運(yùn)測量都提出了極高的要求：材料必須具有鐵磁長程有序；鐵磁交換作用必須足夠強(qiáng)以引起能帶反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致拓?fù)浞瞧接沟膸ЫY(jié)構(gòu)；同時體內(nèi)的載流子濃度必須盡可能地低。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(tuán)隊和清華大學(xué)物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團(tuán)隊合作攻關(guān)，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(yùn)測量等多道難關(guān)，一步一步實現(xiàn)了對拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu)、長程鐵磁序以及能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，利用分子束外延方法生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi,Sb)₂Te₃拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運(yùn)測量裝置上成功地觀測到了“量子反常霍爾效應(yīng)”。該結(jié)果于2013年3月14日在Science上在線發(fā)表，清華大學(xué)和中科院物理所為共同第一作者單位。

圖三，在Cr摻雜的(Bi,Sb)₂Te₃拓?fù)浣^緣體磁性薄膜中測量到的霍爾電阻

該成果的獲得是我國科學(xué)家長期積累、協(xié)同創(chuàng)新、集體攻關(guān)的一個成功典范。前期，團(tuán)隊成員已在拓?fù)浣^緣體研究中取得過一系列的進(jìn)展，研究成果曾入選2010年中國科學(xué)十大進(jìn)展和中國高校十大科技進(jìn)展，團(tuán)隊成員還獲得了2011年“求是杰出科學(xué)家獎”、“求是杰出科技成就集體獎”和“中國科學(xué)院杰出科技成就獎”，以及2012年“全球華人物理學(xué)會亞洲成就獎”、“陳嘉庚科學(xué)獎”等榮譽(yù)。該工作得到了中國科學(xué)院、科技部、國家自然科學(xué)基金委員會和教育部等部門的資助。