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标 题: 好消息：中国首次在在实验室取得诺贝尔级科学发现——杨振宁
发信站: BBS 未名空间站 (Wed Apr 10 11:22:02 2013, 美东)
上新闻联播了。著名物理学家杨振宁评论说：“这是中国首次在实验室中取得诺贝尔奖
级的物理学发现。”
量子反常霍尔效应”研究获突破
由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队，经过数年
不懈探索和艰苦攻关，最近成功实现了“量子反常霍尔效应”。这是国际上该领域的一
项重要科学突破，该物理效应从理论研究到实验观测的全过程，都是由我国科学家独立
完成。
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。它是一种典型的
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 CheeTsui）、
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”是多年来该领域的一个非常困难的重大挑战，它与已知的量子霍
尔效应具有完全不同的物理本质，是一种全新的量子效应；同时它的实现也更加困难，
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［Science，329,
61（2010）］。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。 |
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