反常霍尔效应|未来科技革命有望由此产生( 二 )

动图5：量子霍尔效应示意图，来源：中国科普博览
此时的导体内部仿佛存在无数个高速转动的“陀螺” 。当外加磁场继续增大，电子的回旋半径将进一步缩小，当它小到与电子本身近似的微观水平时，量子效应就产生了！发生量子霍尔效应时，导体内部电子原地圆周运动，而导体边缘电子形成导电通

量子霍尔效应示意图，当外加磁场持续增加，电子回旋半径持续减小
我们用霍尔电压与通过电流的比值定义霍尔电阻这个物理量。当外加磁场比较小时，霍尔电阻将随着外加磁场的增加而增加，两者呈现线性关系。当外加磁场继续增加到某一值后，霍尔电阻将维持不变。若外加磁场进一步增加，霍尔电阻将忽然跃上一个新的平台，曲线整体呈现阶梯状。这样不连续的变化趋势，正是量子效应的显著特征。

量子霍尔效应发生时的物理特性
神奇的地方还不止于此，如果我们同时关注该霍尔导体本身的电阻，我们会发现当霍尔电阻位于平台的时候，导体自身的电阻消失了！实际上，此时导体内部的广阔区域中是没有电流通过的，电流只在导体的边缘流动。
量子反常霍尔效应——开启电子技术新时代
量子霍尔效应具有多种神奇而充满魅力的特点，但是它的产生需要依赖于强外加磁场的条件，因此缺乏实用性。试想，如果开发一枚具备量子霍尔效应的超导芯片，虽然其本身具有低发热、高速度等有益特点，但维持其运转可能要配备上一台冰箱一样大小的强磁场发生器，这是我们无法接受的。
那么，有没有一种材料可以不依赖强磁场就能产生量子霍尔效应呢？这种材料就是大名鼎鼎的拓扑绝缘体。自从2007 年面世后，拓扑绝缘体在全世界吸引了堪比石墨烯的关注度。薛教授和其团队正是受其启发，将拓扑绝缘体和铁磁性材料有机结合，实现了低温下无需外加强磁场就能观测到的量子霍尔效应。为了体现区别，这种新的现象被称为量子反常霍尔效应。

动图6：拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应，来源：中国科普博览
量子霍尔效应提供了一种实现超高性能电子器件的可能途径，能够极大降低电路的发热，提高开关频率和运行速度。而中国科学家率先发现的反常量子霍尔效应，进一步摆脱了强磁场的桎梏，有条件实现器件的小型化。如果能进一步解决相关的技术障碍，提高可用温度，有希望在未来进一步拓展应用场景。
参考文献：

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反常霍尔效应|未来科技革命有望由此产生( 二 )

【反常霍尔效应|未来科技革命有望由此产生】