4月10日，清华大学召开新闻发布会，宣布由薛其坤院士领衔的中国团队首次在实验中实现量子反常霍尔效应，该物理效应从理论研究到实验观测的全过程，都由我国科学家独立完成。该成果已经于北京时间3月15日凌晨在《科学》杂志在线（Science Express）发表。杨振宁教授称这是诺贝尔物理奖级别的成果。

　　1879年美国物理学家霍尔在一个长方形的导体上发现，当电流在长度方向流动的时候，如果在导体垂直方向发现一个磁场，就会在宽度方向产生一个新的电流和电压，这个就是霍尔效应。

　　多年来，量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一。这是一种典型的宏观量子效应，是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现。1980年，德国科学家冯·克利青（Klaus Von Klitzing）发现了“整数量子霍尔效应”，于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年，美籍华裔物理学家崔琦（Daniel Chee Tsui）、美国物理学家施特默（Horst L. Stormer）等发现“分数量子霍尔效应”，不久由美国物理学家劳弗林（Rober B. Laughlin）给出理论解释，三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。在量子霍尔效应家族里，至此仍未被发现的效应是“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应。

　　“量子反常霍尔效应”，即在磁性材料中不外加磁场而产生电流，是多年来该领域的一个非常困难的重大挑战，其关键在于新性质材料的制备，这使得它的实现更加困难，需要精准的材料设计、制备与调控。1988年，美国物理学家霍尔丹（F. Duncan M. Haldane）提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。2010年，中科院物理所方忠、戴希带领的团队与张首晟教授等合作，从理论与材料设计上取得了突破，他们提出Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3、Bi2Se3、 Sb2Te3族拓扑绝缘体中存在着特殊的V.Vleck铁磁交换机制，能形成稳定的铁磁绝缘体，是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。他们的计算表明，这种磁性拓扑绝缘体多层膜在一定的厚度和磁交换强度下，即处在“量子反常霍尔效应”态。该理论与材料设计的突破引起了国际上的广泛兴趣，许多世界顶级实验室都争相投入到这场竞争中来，沿着这个思路寻找量子反常霍尔效应。

　　在磁性掺杂的拓扑绝缘体材料中实现“量子反常霍尔效应”，对材料生长和输运测量都提出了极高的要求：材料必须具有铁磁长程有序；铁磁交换作用必须足够强以引起能带反转，从而导致拓扑非平庸的带结构；同时体内的载流子浓度必须尽可能地低。最近，中科院物理所何珂、吕力、马旭村、王立莉、方忠、戴希等组成的团队和清华大学物理系薛其坤、张首晟、王亚愚、陈曦、贾金锋等组成的团队合作攻关，在这场国际竞争中显示了雄厚的实力。他们克服了薄膜生长、磁性掺杂、门电 压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”。该结果于2013年3月14日在 Science上在线发表，清华大学和中科院物理所为共同第一作者单位。

　　谈到这一成果的现实意义，薛其坤院士说：“目前计算机芯片里电子的运动可以看成是无规律的，从晶体管的电极一端到达另一端的时候，就像从农贸市场的一端到达另一端，运动过程中老碰到很多无序的电子，要走弯路，走弯路就会造成发热，这是目前晶体管发热的重要原因之一。量子霍尔效应中的电子就不像农贸市场的运动一样杂乱，而是像高速公路的汽车一样，按照规则进行。”

　　要实现整数/分数量子霍尔效应，所需磁场是地球地磁场的十万倍甚至上百万倍，要产生这样的磁场需要一个非常大的设备，至少要冰箱那么大，一个计算机的芯片很小，显然这种量子霍尔效应很难得到应用。但量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场，因此这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命进程。

　　如果今后把材料温度提高到在日常温度之下，有可能还会造出一种非常高速的电网，就是所谓的量子电网，将带来我们目前无法想象的运行速度。

　　这一研究成果获得得到了杨振宁教授的高度评价。杨振宁表示这让他想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话，第一次告诉他在实验室做出了宇称不守恒的实验，这个发现震惊了世界。今天薛其坤及其团队做出的实验成果，是从中国的实验室里第一次做出了诺贝尔奖级的物理学成绩，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。

　　杨振宁评价道，虽然获诺贝尔奖的具体标准无法定义，但他相信99%在前沿物理学做研究的人都会同意这是一个诺贝尔奖级的成果。过去人们总认为中国人不擅于做实验，仿佛只会搞理论，其实中国已经有世界一流的实验室，加上中国人的勤奋和团队合作精神，是能够做出一流的实验的。

　　薛其坤等科学家共同表示，该成果的获得是我国科学家长期积累、协同创新、集体攻关的一个成功典范。前期，团队成员已在拓扑绝缘体研究中取得过一系列的进展，研究成果曾入选2010 年中国科学十大进展和中国高校十大科技进展，团队成员还获得了2011年“求是杰出科学家奖”、“求是杰出科技成就集体奖”和“中国科学院杰出科技成就 奖”，以及2012年“全球华人物理学会亚洲成就奖”、“陈嘉庚科学奖”等荣誉。对于我国科技体制建设来说，这一成果的获得无疑是一个有力的肯定。