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近日，中国科学领域又传喜讯。9月17日，2026年度引文桂冠奖获奖名单在英国揭晓，22位杰出科学家获奖。南方科技大学校长、清华大学教授薛其坤院士凭借量子反常霍尔效应的实验观测入选该名单。

“量子反常霍尔效应”，这个由名词和形容词组成的偏正词组，许多人看了可能会犯迷糊。这就对了。即使在物理学界，它也是很魔幻的存在。上世纪80年代，量子反常霍尔效应作为一个假设首次被提出，如同一道传说中的“魔咒”，令各国物理学家魂牵梦绕，却无法证明它真实存在，直到2012年薛其坤团队完成这一重大发现。

今天，我们就来聊聊这道“魔咒”的来龙去脉。

创造超高性能芯片要靠它

对于我们普通人来说，跟“量子”“霍尔效应”这些不明觉厉高科技，有关系吗？

你别说，还真有。

手机、电脑，当今谁也离不开。这些电子产品里，芯片作为处理信息的大脑，通过不断缩小晶体管尺寸来提升性能。如今，指甲盖大小的芯片里，能封装数10亿个晶体管。

英特尔公司创始人之一戈登·摩尔，1965年提出了摩尔定律，预言晶体管数量约每一年半到两年翻一倍。但技术发展至今，传统摩尔定律不灵了。除了晶体管尺寸逼近物理极限，材料里的电子无序运动、乱碰乱撞，还会导致大量能量变成热量。这时的芯片就像一个乱糟糟的菜市场，低效而内卷。电脑、手机有时会发热、掉电快，根源就在这。

量子反常霍尔效应，则能让电子变得“规矩”起来，沿着边界不受阻碍地运动，即使在万分之一根头发那样细的通道里高速“行驶”，也不会“撞车”。因此，这一物理现象成为人类科技突破摩尔定律瓶颈的“魔咒”，掌握它，就拥有了创造超高性能电子器件的基础。

凝聚态物理学的重大目标：找到它！

量子反常霍尔效应概念的由来，可以追溯到19世纪。

1879年，美国物理学家霍尔发现了霍尔效应，简单说就是：当电流穿过一块材料，如果在它的垂直方向加上磁场，材料两侧就会出现横向电压。这种利用磁电转换实现非接触检测的特性，让霍尔效应广泛应用于电磁测量、传感器、控制系统等领域。

过了两年，霍尔又发现，即使不外加磁场，只要电流穿过的材料自带磁性，也可能产生横向电压。这一发现被叫作反常霍尔效应。

一个世纪后，量子材料和物态领域基础研究迎来爆发。整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应等诺奖级重大发现接踵而至，向人们展示了神奇的拓扑量子物态世界。

量子霍尔效应堪称霍尔效应的“量子力学版”，但它的产生条件极为苛刻。别的不说，光是对几十特斯拉超强磁场的要求，就注定了它只能是“实验室贵族”。毕竟，谁会给手机芯片配一个巨大、昂贵还耗电的超导磁体？

1988年，美国物理学家霍尔丹提出，有可能存在不需要外加磁场的量子霍尔效应体系。虽然这个假设离实际材料体系相距甚远，却让科学家看到了让“贵族”走出实验室的希望。

按照历史命名方式，自带磁场的量子霍尔效应被称为量子反常霍尔效应。此后20多年，在真实材料中找到它，成为凝聚态物理学的重大目标之一。

没有赛道的竞技场

2005年，美国物理学家查尔斯·凯恩和尤金·梅莱基于对石墨烯的研究，预言了一种全新物质状态。这种状态后来被归入“拓扑绝缘体”范畴，其特点是内部绝缘，但边缘存在受拓扑保护、无耗散的导电通道。学界认为，在拓扑绝缘体薄膜中引入铁磁性，理论上有可能实现量子反常霍尔效应。

理论有了，要在实验中实现却极为困难。反常霍尔效应的量子化，需要材料的性质同时满足三项非常苛刻的条件：

一是材料内部电子的能量排布方式必须具有拓扑特性，从而在边缘形成导电通道。

二是材料内部必须具有长程铁磁序，从而不用外加磁场。

三是材料体内必须绝缘，只有边缘的导电通道参与导电。

这三个条件，实验中想实现一个都很难，能不能同时满足，即使在理论上都无法确定。有人将这项研究形容为“没有赛道的竞技场”，因为研究者不知道终点在哪、脚下的路是不是通向死胡同。

当美国、德国、日本等国家的多个世界顶级研究组对这一难题久攻无果时，薛其坤带领团队加入了竞争。当时他做好了思想准备：“也许我们努力之后，发现量子反常霍尔效应并不存在。”

“当时大家几乎绝望”

从2008年起，薛其坤团队凭借一套独特的技术手段，在拓扑绝缘体研究领域取得了一系列成果。

他们首次建立了碲化铋家族拓扑绝缘体的分子束外延生长动力学，发展出严格控制材料组分的三温度法，生长出国际上质量最高的拓扑绝缘体样品。该方法后来成为国际上通用的拓扑绝缘体样品制备方法。

随后，他们首次利用角分辨光电子能谱，绘制出三维拓扑绝缘体在二维极限下的电子能带结构演化，这项成果为基于拓扑绝缘体薄膜的大量后续工作打下了基础。他们还利用低温扫描隧道显微镜技术，揭示了拓扑绝缘体表面态的拓扑保护性和朗道量子化等独特性质，在国际上产生了重大学术影响。一系列成果与创新，使我国在拓扑绝缘体研究中跻身国际领先行列。

在此基础上，2009年，薛其坤团队开始了量子反常霍尔效应的实验攻关。

攻关过程极为艰辛。薛其坤后来介绍，制备厚度约5纳米的薄膜不难，难的是要在原子尺度上控制掺杂的元素，更难的是要在电子层次上把结构、材料和物理性质之间的内在关联理解清楚，为下一个实验寻找方向。

在不断摸索中，研究团队共制备了1000多个样品。要知道，每个样品从生长到测量，至少需要三四天时间。终于，他们获得了可以兼具铁磁性、体绝缘性和拓扑性的理想材料系统。

但这并不代表成功。直到2012年初，工作仍无进展。“所有需要的条件我们似乎都已经实现了，但是得到的结果离最终的成功还很遥远。”团队成员何珂回忆，当时大家几乎绝望，不知下一步该怎么办。

薛其坤开导大家：“如果失败，说明此路不通，把迷宫中不通的路找出来也是贡献。”团队也重新静下心，转变思路，逐一排除样品中可能存在的问题。

功夫不负有心人。2012年10月12日晚上，团队成员常翠祖，首次观察到量子反常霍尔效应初步迹象。

走向应用，路还很长

量子反常霍尔效应，是新中国成立以来我国物理学家发现的重要科学效应之一，是对世界物理学发展做出的一项重大贡献。成果发表后，推动了相关研究的快速发展。

不过，这一成果要从实验室走出来，还有很长的路。核心问题一是工作温度，首次观察到量子反常霍尔效应，是在大约零下273.12摄氏度的极低温下实现的；二是材料要求，当时的材料体系单一、制备困难，对纯净度要求极高。

2018年，薛其坤团队首次发现内禀磁性拓扑绝缘体，为实现更高工作温度提供了可能。基于这种材料，已有科学家在零下243摄氏度左右环境下观测到量子反常霍尔态存在的证据。2024年，复旦大学王靖课题组理论预言了一大类二维材料，其中几种材料不仅具有足够大的拓扑能隙，还能在近室温条件下保障磁性，有望在较高温度下实现量子反常霍尔效应。

同时，各项相关研究百花齐放。2023年，上海交通大学李听昕团队与美国田纳西大学合作，把两层二碲化钼材料像拧毛巾一样扭转，形成“莫尔超晶格”结构，从中观测到分数量子反常霍尔效应存在的证据。

2024年，中国科学技术大学潘建伟团队利用自主研发的等离子体跃迁型超导高非简谐性光学谐振器阵列，在国际上首次实现光子的分数量子反常霍尔态。这种量子模拟方法，可以绕开量子霍尔效应所需的苛刻条件，“自底而上”搭建一个可控、可编程的人工系统来研究复杂量子物态。

2025年，中国科学技术大学团队预言了一种在反铁磁体中实现量子反常霍尔效应的新方案，并提出了用电场来调控量子态的方法。这项理论工作为量子反常霍尔效应的研究打开了新的大门。

“我们要提高量子反常霍尔效应的观察温度，寻找更便宜的材料，使它尽快应用到实际中去。”薛其坤说，“这是我们正在努力的方向。”

来源：科技日报

记者：付毅飞

原文链接：https://www.stdaily.com/web/gdxw/2026-09/20/content_584352.html