早在1879年发现的霍尔效应是自然界最基本的电磁现象之一。一百多年来，物理学家在不同的材料中陆续发现了多种不同的霍尔效应：如普通导体中的正常霍尔效应，磁性材料中出现的反常霍尔效应，半导体材料中的自旋霍尔效应。这些发现不但大大丰富了霍尔效应的内涵，而且加深了人们对固体电子性质的理解。20世纪80年代整数和分数量子霍尔效应的发现使人们开始利用数学中拓扑的概念用来理解物质形态，为凝聚态物理带来了巨大的概念突破，因此分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理奖，并发展成为凝聚态物理中的一个重要研究方向。

 

量子反常霍尔效应是磁性材料中反常霍尔效应的量子化版本，是一种不需要外磁场就可以实现的量子霍尔效应。这种量子效应不但是很多新奇拓扑量子现象实现的基础，也是量子霍尔效应能够走向应用的关键。从理论研究和实验上实现量子反常霍尔效应，是多年来凝聚态物理学家追求的目标。

 

量子反常霍尔效应的实现为量子效应的实际应用开辟了一条道路。绝大部分量子效应只有在在微观尺度才能出现，因此其奇特的性质很难在实际器件中得以应用。量子霍尔效应利用电子结构的拓扑性质使其边缘态电子可以在宏观尺度保持其量子力学特征，尤其是无能耗的性质，这为量子器件的实现带来了希望。然而由于传统量子霍尔效应需要强磁场、极低温、高载流子迁移率样品才能出现，因此很难真正得到应用。量子反常霍尔效应是一种不需要强磁场、高迁移率样品，甚至原则上不需要低温就可以出现的量子霍尔效应，因此它有希望成为第一种在日常环境下（无磁场、大尺度、室温）可以应用的量子效应。

 

由清华大学物理系薛其坤教授担任通讯作者的综述文章“量子反常霍尔效应”已在National Science Review（NSR）2014年3月份的创刊号上发表。在此篇综述中，薛其坤院士及其合作者从最基本的霍尔效应开始，逐步介绍了各种霍尔效应及其对应的量子化效应的实验现象和物理内涵，尤其着重阐释了电子能带结构的拓扑性质对几种霍尔效应中所起的关键作用。在此基础上他们介绍了量子反常霍尔效应的概念的提出历史和理论发展。拓扑绝缘体是最终量子反常霍尔效应最终得以实验实现的基础材料。这篇文章详细介绍了拓扑绝缘体的概念和其在真实材料中的实现，以及在拓扑绝缘体薄膜中实现量子反常霍尔效应的条件。文章还详细介绍了薛其坤院士所带领的研究团队如何结合分子束外延、扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱和输运测量等多种研究手段的结合制备出高质量的拓扑绝缘体薄膜，并通过能带工程、化学势调控、磁性掺杂等方式调控其电子能带结构、磁性和输运性质，最终实现量子反常霍尔效应。文章最后还对量子反常霍尔效应的重要科学意义和应用前景进行了阐述。（来源：科学网）