量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及進(jìn)展

1、畢業(yè)論文題 目 量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及進(jìn)展 學(xué)生姓名 唐紫漢 學(xué)號(hào) 所在學(xué)院 物 理 與 電 信 工 程 學(xué) 院 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 物 理 學(xué)1102班 指導(dǎo)教師 王劍華 完成地點(diǎn) 陜 西 理 工 學(xué) 院 2015年 6月5日量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及進(jìn)展唐紫漢（陜理工物理與電信工程學(xué)院物理學(xué)專(zhuān)業(yè)1102班，陜西 漢中 ）指導(dǎo)教師：王劍華摘要量子霍爾效應(yīng)一直是科學(xué)家們熱衷于研究的課題，它的發(fā)現(xiàn)及研究進(jìn)展是凝聚態(tài)物理研究中最重大的成就之一。這一領(lǐng)域的研究成果曾兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，引起了科學(xué)界的極大反響。本文對(duì)整數(shù)、分?jǐn)?shù)、反常量子霍爾效應(yīng)等量子霍爾效應(yīng)家族進(jìn)行回顧和總結(jié)，扼要地介紹它們的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展歷程以及應(yīng)用

2、情況和研究進(jìn)展，全面系統(tǒng)地展現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)的精彩圖像。關(guān)鍵詞霍爾效應(yīng)；量子霍爾效應(yīng)；量子反?；魻栃?yīng)引言量子霍爾效應(yīng)作為過(guò)去二十多年中，凝聚態(tài)物理領(lǐng)域內(nèi)最為重要的研究成果之一，人們對(duì)它的探索顯然不是十分順利的。距霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，過(guò)去了約100年后，德國(guó)物理學(xué)家馮克利青(Klaus von Klitzing)終于在這一領(lǐng)域有了突破性的研究進(jìn)展。他在研究強(qiáng)磁場(chǎng)和極低溫中的半導(dǎo)體時(shí)，發(fā)現(xiàn)了這一量子現(xiàn)象，作為當(dāng)時(shí)最令人驚異的凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域成果之一，馮克利青因此被授予了1985年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1。1982年，美籍華裔物理學(xué)家崔琦(Daniel Chee Tsui )同物理學(xué)家勞克林(Robert B

3、.Laughlin)、施特默(Horst L. Strmer)合作，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)中施加更強(qiáng)的磁場(chǎng)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)1，這一發(fā)現(xiàn)讓人們更加清晰的認(rèn)識(shí)了量子現(xiàn)象，他們也因?yàn)檫@項(xiàng)工作而獲得了1998年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。由于這一領(lǐng)域曾兩度被授予諾貝爾獎(jiǎng)，而使得人們對(duì)它產(chǎn)生了極大的興趣，許多科學(xué)家投身于此項(xiàng)研究。2006年，斯坦福大學(xué)張首晟教授與其所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，預(yù)測(cè)了二維拓?fù)浣^緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng)，并于2008年指出，可以嘗試在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體的基礎(chǔ)上，來(lái)實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)2。直到2013年，“量子反常霍爾效應(yīng)”的神秘的面紗才終于被揭開(kāi)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所和清華大學(xué)聯(lián)合組成的研究團(tuán)隊(duì)

4、首次成功從實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了這一量子現(xiàn)象，諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者楊振寧教授稱(chēng)贊此項(xiàng)研究工作是 “諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的物理學(xué)成果”3。由此可見(jiàn)對(duì)量子霍爾效應(yīng)的研究是具有十分重大的意義的。隨著對(duì)量子霍爾效應(yīng)的不斷研究，人們渴望在室溫下實(shí)現(xiàn)這一奇特的量子現(xiàn)象，這一想法驅(qū)使著科學(xué)家們尋找實(shí)現(xiàn)室溫量子霍爾效應(yīng)的途徑。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈海姆與康斯坦丁諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出了石墨烯，并且于2007年，在常溫下成功觀察到量子霍爾效應(yīng)。這為他們贏得2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。本篇文章中，筆者將會(huì)對(duì)整個(gè)量子霍爾效應(yīng)體系進(jìn)行一定的介紹，具體以經(jīng)典霍爾效應(yīng)為引，回顧經(jīng)典霍爾效應(yīng)的原理及其發(fā)展歷程，在

5、使讀者了解其基本概念的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步詳細(xì)介紹各種量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展歷程和他們的研究現(xiàn)狀及實(shí)際應(yīng)用，希望能夠讓讀者對(duì)量子霍爾效應(yīng)或者其相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生興趣。1.經(jīng)典霍爾效應(yīng)回顧1879年，霍爾（E.H.Hall）還是Johns Hopkins大學(xué)在校學(xué)生，并且正在攻讀研究生。當(dāng)時(shí)的科學(xué)界還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電子，人們也不清楚金屬的導(dǎo)電機(jī)理究竟是什么。由于英國(guó)著名的物理學(xué)家麥克斯韋與瑞典物理學(xué)家埃德隆對(duì)于一個(gè)問(wèn)題的不同看法4，引起了年輕的霍爾的注意。之后，由于導(dǎo)師羅蘭（H.A.Rowland）教授的大力幫助與指引，霍爾開(kāi)始著重研究磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)線(xiàn)電流的影響。令他新奇的是，在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了一種與此相關(guān)的特殊的現(xiàn)象

6、。如圖1.1所示，處于磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體板，其電流方向與磁場(chǎng)方向垂直，于是在導(dǎo)體板兩側(cè)就會(huì)相應(yīng)的出現(xiàn)橫向電勢(shì)差。因?yàn)槭腔魻柺紫劝l(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，所以稱(chēng)之為霍爾效應(yīng)。導(dǎo)體板兩側(cè)形成的電勢(shì)差稱(chēng)為霍爾電壓。圖1.1 霍爾效應(yīng)示意圖 （1.1）由于霍爾的這次發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)整個(gè)科學(xué)界都為之震動(dòng)，從而也使得許許多多科學(xué)家投身于這一研究領(lǐng)域。由圖1.1所示 ，我們可以得出：霍爾電場(chǎng)與和成正比，有 （1.2）其中，為電流密度，為沿垂直于電流的z方向施加的磁場(chǎng)。比例系數(shù)稱(chēng)為霍爾系數(shù)，在只存在一種載流子的簡(jiǎn)單情況下，與載流子密度成反比，當(dāng)去掉磁場(chǎng)或者電流，霍爾電壓也就會(huì)立刻消失掉。正是由于這種性質(zhì)，霍爾效應(yīng)在半導(dǎo)體中更加

7、顯著，因此在半導(dǎo)體中有了重要的應(yīng)用。在研究半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)時(shí)，常用霍爾電阻來(lái)表示樣品的電阻，即 （1.3）其中為單位面積上載流子數(shù)目，即載流子面密度。2.量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)1980年科學(xué)家們繼霍爾效應(yīng)之后，終于又發(fā)現(xiàn)了一種新的霍爾效應(yīng)。德國(guó)物理學(xué)家馮克利青通過(guò)對(duì)金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)。他將兩個(gè)電極裝在硅MOSFET管上，并且把MOSFET管放置在深低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)中，隨后驗(yàn)證出了霍爾電阻隨柵壓變化，并且在其變化曲線(xiàn)上出現(xiàn)了一系列平臺(tái)，如圖2.1所示，與平臺(tái)相對(duì)的霍爾電導(dǎo)為： （2.1）式中為正整數(shù)1、2、3，這一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)充分體現(xiàn)了20世紀(jì)以

8、來(lái)凝聚態(tài)物理學(xué)與各門(mén)新科技（包括低溫、超導(dǎo)、真空、半導(dǎo)體工藝、強(qiáng)磁場(chǎng)等）之間的交互協(xié)作和共同發(fā)展，同時(shí)也確定了馮克利青開(kāi)創(chuàng)性的研究工作所取得的重大成果5。圖2.1 整數(shù)量子霍爾效應(yīng)量子霍爾效應(yīng)是自約瑟夫森效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后，又一個(gè)對(duì)基本物理常數(shù)方面有重大貢獻(xiàn)的凝聚態(tài)量子效應(yīng)12。馮克利青預(yù)見(jiàn)到此種效應(yīng)的重大意義。因此，當(dāng)他確定霍爾平臺(tái)的阻值是的分值后，就主動(dòng)與聯(lián)邦技術(shù)物理研究所進(jìn)行聯(lián)系，詢(xún)問(wèn)他們對(duì)于的精確測(cè)定是否有興趣。得到回答是如果精確度能高于就會(huì)很感興趣。但是在格勒諾勃測(cè)定的精確度卻只有1%，于是馮克利青隨即回到維爾茨堡，在那里用更為先進(jìn)的超導(dǎo)線(xiàn)圈繼續(xù)不懈的試驗(yàn)，不久之后阻值的精確度就達(dá)到了，換

9、言之，霍爾電阻的確是的分值。隨即馮克利青根據(jù)自己研究結(jié)果寫(xiě)了一篇文章，并寄給了物理評(píng)論快報(bào)，題目是基于基本常數(shù)實(shí)現(xiàn)電阻基準(zhǔn)。然而，這篇文章由于種種原因被編輯部予以退回。因此，馮克利青將目光投向精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，將原來(lái)的論文改寫(xiě)為基于量子霍爾電阻高精度測(cè)定精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的新方法5。這是量子霍爾效應(yīng)首次被公開(kāi)宣布，隨即激起了科學(xué)界強(qiáng)烈的反響與討論熱潮。為了表彰馮克利青在量子霍爾效應(yīng)方面為科學(xué)界做出的突出貢獻(xiàn)，他于1985年被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。時(shí)隔13年之后，華裔物理學(xué)家崔琦與物理學(xué)家施特默所組成的團(tuán)隊(duì)，在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，并且另一位物理學(xué)家勞弗林通過(guò)引入了分?jǐn)?shù)電荷解釋了這一現(xiàn)象，三人分獲1

10、998年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。一般來(lái)說(shuō)，量子霍爾效應(yīng)被認(rèn)為是整數(shù)量子霍爾效應(yīng)與分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的統(tǒng)稱(chēng)。在凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域中，量子霍爾效應(yīng)的地位一直都是舉足輕重的，它是微觀電子領(lǐng)域的量子現(xiàn)象在宏觀尺度上的完美展現(xiàn)。很早以前，人們?cè)谘芯繕O低溫狀態(tài)下的液氦和超導(dǎo)體的時(shí)候，就對(duì)量子流體有一定的了解。在這些領(lǐng)域之中，已經(jīng)有數(shù)位物理學(xué)家曾經(jīng)獲得過(guò)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。如：卡末林-昂納斯、朗道、卡皮查等物理學(xué)家均在各自的領(lǐng)域內(nèi)獲得此殊榮，這充分說(shuō)明了凝聚態(tài)物理學(xué)在20世紀(jì)有了極其巨大的發(fā)展，而且超導(dǎo)和低溫又在這一領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)著非常重要的地位。 分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)是繼發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)和整數(shù)量子霍爾效應(yīng)之后的又一個(gè)具有重大意義

11、的凝聚態(tài)物質(zhì)中的宏觀效應(yīng)。它成為繼高溫超導(dǎo)之后，凝聚態(tài)物理學(xué)中的一項(xiàng)新興的研究課題。圖2.2 分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)圖2.1表示馮克利青所得霍爾電阻隨磁場(chǎng)變化的臺(tái)階形曲線(xiàn)，臺(tái)階的高度等于物理常數(shù)與整數(shù)i的比值。e與h都是自然的基本常數(shù)，值大約為25，圖2.1中給出了=2，3，4，5，6，8，10的各層平臺(tái)，圖2.2帶峰的曲線(xiàn)表示歐姆電阻，在每個(gè)平臺(tái)處趨于消失1。量子數(shù)也可用填充因子代替，填充因子由電子密度所確定，可以定義為電子數(shù)和磁通量子數(shù)的比值，即填充因子，其中為通過(guò)某一截面的磁通，為磁通量子，6。當(dāng)是整數(shù)時(shí)，電子完全填充相應(yīng)數(shù)量的簡(jiǎn)并能級(jí)（朗道能級(jí)），此種情況下的量子霍爾效應(yīng)被稱(chēng)之為整數(shù)

12、量子霍爾效應(yīng)(IQHE)6。 在整數(shù)量子霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的兩年后，崔琦的團(tuán)隊(duì)在新澤西的貝爾實(shí)驗(yàn)室嘗試采用半導(dǎo)體GaAs做量子霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，此次實(shí)驗(yàn)是在1K以下的極低溫和非常強(qiáng)的磁場(chǎng)中進(jìn)行，在一開(kāi)始的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，磁場(chǎng)的強(qiáng)度高達(dá)20T，這一實(shí)驗(yàn)所得到的霍爾平臺(tái)相當(dāng)于填充因子要取分?jǐn)?shù)值7，這一結(jié)論完全出乎崔琦等人的意料。他們?cè)谧铋_(kāi)始發(fā)表的論文中公布了平臺(tái)，后來(lái)，又有更多的臺(tái)階被崔琦與施默特等人發(fā)現(xiàn)，這說(shuō)明了量子霍爾效應(yīng)平臺(tái)不僅可以在為整數(shù)時(shí)被觀察到，而且當(dāng)=1/3、2/5等分?jǐn)?shù)時(shí)也能夠被觀察到，因此這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象被稱(chēng)為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)（FQHE）。 分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使得整個(gè)凝聚態(tài)物理學(xué)界為之震驚，與

13、此同時(shí)它也給理論家們帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)產(chǎn)生分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的時(shí)候，電子均處在最低的朗道能級(jí)，且擁有相同的能量，根據(jù)固體物理的相關(guān)理論，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)是不可能會(huì)發(fā)生的。所以，在勞克林的理論研究中，當(dāng)電子體系的密度為 “簡(jiǎn)單”分?jǐn)?shù)填充因子為（為奇整數(shù)，例如：=1/3或1/5）時(shí)，電子體系便會(huì)凝聚形成一種新型的量子液體，因此他提出了一個(gè)多電子波函數(shù)，用以描述各電子之間存在相互作用的量子液體的基態(tài)1。在基態(tài)的基礎(chǔ)上減少或者增加一個(gè)電子就相當(dāng)于基態(tài)的一種激發(fā)。不可壓縮性是勞克林基態(tài)的一個(gè)重要特點(diǎn)。為了使它的密度高于填充的朗道密度的一個(gè)有理數(shù)分?jǐn)?shù)值，必須要能夠克服基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能隙，這個(gè)能隙對(duì)應(yīng)著

14、產(chǎn)生量子液體的元激發(fā)所需要的值。能隙的存在以及分?jǐn)?shù)電荷的元激發(fā)觀念，再結(jié)合勞克林的整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的理論，充分說(shuō)明了分?jǐn)?shù)霍爾電導(dǎo)值的精確性以及霍爾平臺(tái)的存在。3.自旋量子霍爾效應(yīng) 電子除了能夠平動(dòng)之外，其自身還具有一個(gè)非常重要的內(nèi)在性質(zhì)，那就是自旋。我們都知道，當(dāng)一個(gè)陀螺在平面上運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，自身還在不停地旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)可以是向左旋也可以是向右旋。與量子霍爾效應(yīng)一樣，量子自旋霍爾效應(yīng)也是在二維體系中，由邊緣引起的量子效應(yīng)。但是不同之處在于，量子自旋霍爾效應(yīng)是由兩組自旋方向相反、運(yùn)動(dòng)方向也相反的邊緣態(tài)所組成，并且不需要外加磁場(chǎng)。因?yàn)閮山M邊緣態(tài)上的電子是沿著相反方向運(yùn)動(dòng)的，所以?xún)綦姾呻娏鳛榱?，?dāng)然也

15、就沒(méi)有所謂的霍爾電導(dǎo)。但是由于他們具有相反地自旋方向，從而形成了量子化的自旋霍爾電導(dǎo)（），因此被稱(chēng)為量子自旋霍爾效應(yīng)。 2007年，這種特殊邊緣態(tài)的量子效應(yīng)終于被德國(guó)伍爾垐堡大學(xué)的研究組在HgTe/CdTe量子阱結(jié)構(gòu)中首次觀測(cè)到，從而在實(shí)驗(yàn)上證明了斯坦福研究所的預(yù)言。這一工作在當(dāng)時(shí)引起了很大的反響。因此，伍爾垐堡大學(xué)研究組的這次工作成功入選當(dāng)年的美國(guó)著名科學(xué)（Science）雜志評(píng)選出的十大科技進(jìn)展。這標(biāo)志著對(duì)于拓?fù)浣^緣體的研究已然從前期的理論研究為主過(guò)渡到實(shí)驗(yàn)探索的新階段。量子自旋霍爾效應(yīng)的邊緣態(tài)，依然是無(wú)能量耗散的，這將會(huì)對(duì)未來(lái)的自旋電子學(xué)器件的進(jìn)展大有助益。圖3.1 自旋量子霍爾效應(yīng)4.

16、室溫量子霍爾效應(yīng) 量子霍爾效應(yīng)作為一種宏觀的量子現(xiàn)象，自1980年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就受到人們的密切關(guān)注。量子霍爾效應(yīng)只發(fā)生在二維體系中，它使我們進(jìn)一步理解了相互作用系統(tǒng)。并且還為我們建立了一個(gè)新的度量標(biāo)準(zhǔn)，即量子電阻，量子電阻只含有電荷e和普朗克常數(shù)h。和許多其他量子現(xiàn)象相同，低溫是量子霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的條件之一，通常在液氦的沸點(diǎn)以下。人們努力去擴(kuò)展量子霍爾效應(yīng)的溫度范圍。人們天生的渴望在環(huán)境條件下觀察到明顯而脆弱的量子現(xiàn)象，并在室溫下進(jìn)行的測(cè)量的實(shí)際需要，這驅(qū)使著人們不斷的嘗試。一些實(shí)驗(yàn)表明量子霍爾效應(yīng)甚至可以在室溫下觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)是在石墨烯上觀測(cè)的。這是由于石墨烯極不尋常的電子傳導(dǎo)特性，電子的這種行為如

17、同無(wú)質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子，在環(huán)境條件下電子的移動(dòng)只有微小的散射。2007年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的諾沃塞洛夫（K.S.Novoselov）與同事在45T的強(qiáng)磁場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)了室溫量子霍爾效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)是在石墨烯單層膜上觀測(cè)的?；谑┑奶攸c(diǎn)，人們更加希望在磁場(chǎng)強(qiáng)度小于30T時(shí)觀測(cè)到室溫量子霍爾效應(yīng)。事實(shí)上，科學(xué)家已經(jīng)在磁場(chǎng)低于20T,溫度低于300K的條件下觀測(cè)到霍爾平臺(tái)，可以通過(guò)提高樣品的均勻性和提高來(lái)觀測(cè)在普通磁感應(yīng)強(qiáng)度下的室溫量子霍爾效應(yīng)。5.量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)、現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景 1881年，霍爾在做有關(guān)磁性金屬中的霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，即便不施加外磁場(chǎng)也能夠觀測(cè)到霍爾效應(yīng)，這種在零磁場(chǎng)中產(chǎn)生的霍爾

18、效應(yīng)就是所謂的反?；魻栃?yīng)11。反?；魻栃?yīng)同普通的霍爾效應(yīng)有本質(zhì)上的區(qū)別，因?yàn)檫@里并不存在對(duì)電子的洛倫茲力作用而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)軌道偏轉(zhuǎn)的外磁場(chǎng)。因?yàn)椴牧媳旧碛捎谧园l(fā)磁化而產(chǎn)生了反常霍爾電導(dǎo)，所以充分說(shuō)明磁場(chǎng)并不是霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的必要條件。在發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)之后，人們又了解到電流與磁矩之間的自旋軌道耦合相互作用也能夠引起霍爾效應(yīng)。只要時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性能夠被破壞，這種霍爾效應(yīng)就能夠存在，這就是反?；魻栃?yīng)。 多年以來(lái)，量子反常霍爾效應(yīng)這一現(xiàn)象的實(shí)現(xiàn)一直是該領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)極其困難的課題，它的物理本質(zhì)同已知的量子霍爾效應(yīng)完全不同，它是一種嶄新的量子現(xiàn)象；同時(shí)實(shí)現(xiàn)這一量子現(xiàn)象所需的條件也相應(yīng)的更加困苛刻，這需要精準(zhǔn)

19、的材料設(shè)計(jì)、制備和調(diào)控。這一效應(yīng)，在1988年由美國(guó)物理學(xué)家霍爾丹首先提出。他猜想，可能有不需要外加磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)存在，然而多年來(lái)卻一直沒(méi)有找到可以實(shí)現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)的材料體系和具體的物理手段。2006年，在斯坦福大學(xué)張首晟教授所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)的不懈工作下，成功的預(yù)測(cè)了二維拓?fù)浣^緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng)，并在2008年指出，可以嘗試在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體的基礎(chǔ)上，來(lái)實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)2。2010年，我國(guó)理論物理學(xué)家方中、戴希等人與張首晟教授合作，提出實(shí)現(xiàn)量子化反常霍爾效應(yīng)的最佳體系有可能就是磁性摻雜的三維拓?fù)浣^緣體。此方案一經(jīng)提出，便引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注與討論。許多國(guó)內(nèi)外的研究組在此

20、思路上尋找量子反?；魻栃?yīng)，雖然一直未能取得成功，但他們卻一直在努力著。 量子反?；魻栃?yīng)表明實(shí)驗(yàn)在零磁場(chǎng)中，霍爾電阻跳將要變到一個(gè)極其高的量子電阻值。這一匪夷所思的量子現(xiàn)象如果要想得以實(shí)現(xiàn)，需要試驗(yàn)樣品必須同時(shí)滿(mǎn)足4項(xiàng)非常嚴(yán)苛的條件：樣品必須是二位系統(tǒng)（薄膜），從而具有導(dǎo)電的一維邊緣態(tài)；樣品需要處于絕緣相，從而對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有任何貢獻(xiàn)；樣品需要存在鐵磁序，從而存在反常霍爾效應(yīng)；樣品需要有非平凡的拓?fù)湫再|(zhì)，從而使電子能帶是反轉(zhuǎn)的，這就如同要求一個(gè)人，同時(shí)具有籃球運(yùn)動(dòng)員的高度、短跑運(yùn)動(dòng)員的速度、體操運(yùn)動(dòng)員的靈巧和舉重運(yùn)動(dòng)員的力量，這實(shí)在是有點(diǎn)強(qiáng)人所難3?？上驳氖?，我國(guó)科學(xué)家所領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)上成功

21、的觀測(cè)到了量子反常霍爾效應(yīng)，他們的成功不僅給我們很大的鼓舞，也啟發(fā)我們科研必須要有足夠深厚的積累，而且積累階段要耐得住寂寞，要厚積薄發(fā)。據(jù)報(bào)道，薛其坤院士一直從事凝聚態(tài)材料的理論和實(shí)驗(yàn)研究，自2009年起，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)向量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)起一次又一次的沖擊，歷時(shí)4年，生長(zhǎng)測(cè)量了1000多種樣品。最終，他們利用分子束外延的方法，生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的磁性摻雜拓?fù)浣^緣體薄膜2，將其制備成輸運(yùn)器件并在極低溫環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，成功的觀測(cè)到了量子反?；魻栃?yīng)。這一發(fā)現(xiàn)或?qū)?duì)信息技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生重大影響，這是世界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。由于人們有可能利用量子霍爾效應(yīng)來(lái)研究新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件

22、，這將會(huì)大大解決電腦的發(fā)熱和能量耗散問(wèn)題，從而促進(jìn)信息技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)環(huán)保方面也會(huì)大有助益。然而，就算是普通的量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生，仍舊需要用到非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，因此實(shí)際應(yīng)用起來(lái)將會(huì)是非常昂貴和困難。但是量子反?；魻栃?yīng)的好處在于，它不需要任何外加磁場(chǎng)，這項(xiàng)研究成果將有力的推動(dòng)新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，可能加速推進(jìn)信息技術(shù)革命進(jìn)程。6.結(jié)語(yǔ) 本篇文章對(duì)量子霍爾效應(yīng)家族各個(gè)成員進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，并且按照時(shí)間的順序?qū)⒏鞣N效應(yīng)依次串聯(lián)起來(lái)，讓其發(fā)展脈絡(luò)得以清晰呈現(xiàn)。從1880年霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)到2013年量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這期間所體現(xiàn)的科學(xué)家們的不屈不撓的探索精神、為科學(xué)事業(yè)而奮斗、

23、獻(xiàn)身的熱情，值得我們每一個(gè)人學(xué)習(xí)。量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)之路充分體現(xiàn)科學(xué)日益進(jìn)步這一事實(shí)，雖然對(duì)于量子霍爾效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用，到目前為止還未能實(shí)現(xiàn)，但是它的發(fā)展?jié)摿κ菬o(wú)可置疑的，筆者認(rèn)為，不久的將來(lái)它勢(shì)必會(huì)服務(wù)于人類(lèi)的生產(chǎn)和生活。參考文獻(xiàn)1鄭厚植.分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)介紹J.物理，1999，28（3）：135-141.2李海.量子霍爾效應(yīng)及量子反?；魻栃?yīng)的探索歷程J.2014，33（12）：23-27.3陳平行，李承祖.量子反常霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用前景J.2013，34（2）：30-32.4張會(huì)云.霍爾效應(yīng)的發(fā)展及應(yīng)用J.紡織高校基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，15（1）：75-79.5賴(lài)武

24、彥.量子霍爾效應(yīng)J.自然雜志，1985，8（1）：16-20.6周蓉娟，過(guò)祥龍.整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的問(wèn)題與解答J.物理與工程，2003，6（13）：1-5.7韓燕麗，劉樹(shù)勇.量子霍爾效應(yīng)的發(fā)展歷程J.2000，29（8）：499-501.8楊錫震，田強(qiáng).量子霍爾效應(yīng)J.物理實(shí)驗(yàn)，2001，21（6)：3-7.9張琳，米斌周.量子霍爾效應(yīng)的研究及進(jìn)展J.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，11（3）：61-65.10錢(qián)伯初.量子力學(xué)M.北京高等教育出版社，2006.11劉雪梅.霍爾效應(yīng)理論發(fā)展過(guò)程的研究J.重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2011,，30（2）：41-44.12黃永南.量子霍爾效應(yīng)簡(jiǎn)介J.固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，1986，6（3）：220-225.13童國(guó)平.當(dāng)今物理學(xué)前沿問(wèn)題選將M.浙江大學(xué)出版社，2010.：551-560.15安楠，白浪，李小俊等.室溫下石墨烯的霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究J.發(fā)光學(xué)報(bào)，2013，34（1）：46-48.The Find and Progress of The Quantum Hall EffectTANG Zi-Han(Grade02, Class