量子霍爾效應Quantum Hall Effect

量子霍爾效應（quantum Hall effect）是量子力學版本的霍爾效應，需要在低溫強磁場的極★條件下才可以被觀察到，此時霍爾電阻與磁場不再呈現線性關系，而出現量子化平臺。霍爾效應在1879年被E.H.霍爾發現，它定義了磁場和感應電壓之間的關系。當電流通過一個位于磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個橫向的作用力，從而在導體的兩端產生電壓差。

2018年12月18日，英國《自然》雜志刊登復旦大學物理學系修發賢課題組的最新研究成果《砷化鎘中基于外爾軌道的量子霍爾效應》，這也是中國科學家首★在三維空間中發現量子霍爾效應。

簡介：

量子霍爾效應，是霍爾效應的量子力學版本。一般被看作是整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的統稱。

整數量子霍爾效應被馬普所的德國物理學家馮·克利青發現。他因此獲得1985年諾貝爾物理學獎。分數量子霍爾效應被崔琦、霍斯特·路德維希·施特默和亞瑟·戈薩★發現，前兩者因此與羅伯特·勞克林分享1998年諾貝爾物理學獎。

整數量子霍爾效應最初在高磁場下的二維電子氣中被觀測到；分數量子霍爾效應通常在遷移率更高的二維電子氣下才能被觀測到。

2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，在室溫下觀察到量子霍爾效應。2018年12月18日，英國《自然》雜志刊登復旦大學物理學系修發賢課題組的最新研究成果《砷化鎘中基于外爾軌道的量子霍爾效應》，這也是中國科學家首★在三維空間中發現量子霍爾效應。 據修發賢教授介紹，該效應與傳統的二維量子霍爾不同，存在特殊的電子軌道，稱為外爾軌道，電子可以從上表面穿越到下表面，然后再回到上表面。打個比方，一個房間有天花板和地面，形成三維空間，電子可以從天花板穿越房間到達地面，然后從地面再回到天花板。據悉，美國物理學家霍爾發現對通電的導體加上垂直于電流方向的磁場，電子的運動軌跡將發生偏轉，在導體的縱向方向產生電壓，這個電磁效應稱為霍爾效應。量子霍爾效應是20世紀以來凝聚態物理領域最重要的科學發現之一，迄今已有四個諾貝爾獎與其直接相關。但一百多年來，科學家們對量子霍爾效應的研究仍停留于二維體系，從未涉足三維領域。在本次成果中，修發賢教授課題組在拓撲狄拉克半金屬砷化鎘材料里觀測到三維量子霍爾效應，通過實驗證明電子的隧穿過程，邁出從二維到三維的關鍵一步，開拓了全新的研究維度。這表明這次的新研究又向前進了一大步。

重要意義：

整數量子霍爾效應：量子化電導被觀測到，為彈道輸運（ballistic transport）這一重要概念提供了實驗支持。

分數量子霍爾效應：勞克林與J·K·珍解釋了它的起源。兩人的工作揭示了渦旋（vortex）和準粒子（quasi-particle）在凝聚態物理學中的重要性。

研究前景：

整數量子霍爾效應的機制已經基本清楚，而仍有一些科學家，如馮·克利青和紐約州立大學石溪分校的V·J·Goldman，還在做一些分數量子效應的研究。一些理論學家指出分數量子霍爾效應中的某些平臺可以構成非阿貝爾態（Non-Abelian States），這可以成為搭建拓撲量子計算機的基礎。

石墨烯中的量子霍爾效應與一般的量子霍爾行為大不相同，為量子反常霍爾效應(Quantum Anomalous Hall Effect)。

此外，Hirsh、斯坦福大學的張首晟等提出量子自旋霍爾效應的概念，與之相關的實驗正在吸引越來越多的關注。

2010年，中科院物理所的方忠、戴希理論團隊與拓撲絕緣體理論的開創★之一、斯坦福大學的張首晟等合作，提出了實現量子反常霍爾效應的最佳體系。 2013年，中國科學院的薛其坤院士領★的合作團隊又發現，在一定的外加柵極電壓范圍內，此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應的特征值h/e2~ 25800歐姆。2013年3月15日，這個成果在線發表在《科學》雜志上。

這一發現可被用于發展新一代低能耗晶體管和電子學器件，進而推動信息技術的進步。