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超越欧姆定律薛其坤和他的量子世界(2)

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手机为什么会经常没电？因为普通状态下的电子运动，时有碰撞。就像人从乱糟糟的农贸市场的一端走到另一端，总会走弯路、碰到人，那么就会造成发热、效率不高，这不只是手机这种电子产品耗电快的原因之一，也是目前所有晶体管发热、能耗高的重要原因之一。

有什么方法能让电子运动像车子在“高速公路”上分道行驶，有一定规则，而不是像在农贸市场里那么混乱无序吗？

有，那就是量子霍尔效应中的电子运动。

量子霍尔效应是指在强磁场的条件下，电子运动如同车辆在高速公路上行驶一般规则有序，这无疑可以减少电子相互冲撞造成的发热、能耗高等现象。因此，在量子反常霍尔效应发现之前，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。

事实上，与量子霍尔效应相关的研究已三获诺贝尔奖：

半导体硅中的整数量子霍尔效应，1980年德国科学家冯·克利青（Klaus von Klitzing）发现，于1985年获诺贝尔物理学奖；

半导体砷化镓中的分数量子霍尔效应，1982年美籍华裔物理学家崔琦（Daniel Chee Tsui）、美国物理学家施特默（Horst L.Srmer）等发现，美国物理学家劳弗林（Robert B. Laughlin）给出理论解释，三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖；

石墨烯中的半整数量子霍尔效应，2005年英国科学家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）发现，于2010年获诺贝尔物理学奖；

所有这些发现都与量子霍尔效应有关。量子霍尔效应与后来薛其坤团队发现的量子反常霍尔效应一样，都是不同于欧姆定律的全新物理效应，但前者却需要强磁场才能实现。那么接下来我们来看看何为量子反常霍尔效应。

量子反常霍尔效应：零磁场下电子的高速公路

那么，什么是量子反常霍尔效应呢？

普通量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，磁场的强度一般在几个特斯拉，大概是地球地磁场的几万倍，有时甚至要高到几十万倍，要产生这样的磁场需要一个非常大的昂贵设备。薛其坤说，一般像冰箱那么大，造价几百万。我们平时兜里装一个充电宝都会觉得包重了好多，计算机旁边配一个冰箱那么大的设备来产生磁场，可想而知，要实现量子霍尔效应成本非常昂贵，庞大的体积也不适用于便携式电子产品，显然很难得到应用。

那么有没有什么办法，在零磁场的条件下，也让电子运动像在高速公路上那么有序，而不是像在农贸市场里那么乱糟糟呢？

这听起来很难。

但科学家首先是一些富有想象力的人，他们想象出一件又一件不可能的事。

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。

然而Haldane的理论模型在实际的固体体系中无法实现，因为它要求在晶格尺度上交错的磁场。如果不能在真实材料中发现它，它就仅仅只是一种猜想。

而实验科学家，就是用实实在在的实验数据，实现猜想的人。

薛其坤和他的团队成员，就是这样的科学家。

2012年：发现！

世界量子物理学应该会记住2012年——人类终于在真实材料中发现了量子反常霍尔效应！这个量子世界的物理现象不再只是一句猜想。

那是2012年10月12日晚上10点35分，因为实验没有进展，薛其坤老师情绪不是太好，加上这天非常劳累，就比平时提前了半个小时回家，在学校住宅小区马路边刚停好车，突然手机在兜里震动了一下。

“薛老师，量子反常霍尔效应出来了，等待详细测量。”是学生常翠祖发来的。

平淡的两句话，令薛其坤几个月的郁闷一扫而光。

迅速压抑住心脏的狂跳，平静下来，薛其坤立即组织起团队成员，设计实验方案、部署实验细节，马上投入到优化和验证实验的实施步骤中。

收到短信的那天晚上，仅仅是量子反常霍尔效应露出了尾巴，从出现迹象到完成，又花了两个多月，不断地改变表面、界面和材料的状态，直到12月的一天……

这一天，仿佛是有预感，一向喜欢买好吃的“贿赂”大家的薛其坤，又提前在机场的免税店买了最好的香槟之一——Dom Perignon。

这一天，一个所有人期待了4年的标志性数值——.807欧姆，终于出现在了他们的实验室……那一刻，数据不停地跳动着，、、、.807，数据停住了！

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