由中國科學(xué)院物理研究所和清華大學(xué)物理系的科研人員組成的聯(lián)合攻關(guān)團隊，經(jīng)過(guò)數年不懈探索和艱苦攻關(guān)，最近成功實(shí)現了“量子反?；魻栃?。這是國際上該領(lǐng)域的一項重要科學(xué)突破，該物理效應從理論研究到實(shí)驗觀(guān)測的全過(guò)程，都是由我國科學(xué)家獨立完成。
量子霍爾效應是整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要、最基本的量子效應之一。它是一種典型的宏觀(guān)量子效應，是微觀(guān)電子世界的量子行為在宏觀(guān)尺度上的一個(gè)完美體現。1980年，德國科學(xué)家馮?克利青（Klaus von Klitzing）發(fā)現了“整數量子霍爾效應”，于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。1982年，美籍華裔物理學(xué)家崔琦（Daniel CheeTsui）、美國物理學(xué)家施特默（Horst L. Stormer）等發(fā)現“分數量子霍爾效應”，不久由美國物理學(xué)家勞弗林（Rober B. Laughlin）給出理論解釋?zhuān)斯餐@得1998年諾貝爾物理學(xué)獎。在量子霍爾效應家族里，至此仍未被發(fā)現的效應是“量子反?；魻栃薄恍枰饧哟艌?chǎng)的量子霍爾效應。
圖一，量子反?；魻栃氖疽鈭D，拓撲非平庸的能帶結構產(chǎn)生具有手征性的邊緣態(tài)，從而導致量子反?；魻栃?/font>
“量子反?；魻栃笔嵌嗄陙?lái)該領(lǐng)域的一個(gè)非常困難的重大挑戰，它與已知的量子霍爾效應具有完全不同的物理本質(zhì)，是一種全新的量子效應；同時(shí)它的實(shí)現也更加困難，需要精準的材料設計、制備與調控。1988年，美國物理學(xué)家霍爾丹（F. Duncan M. Haldane）提出可能存在不需要外磁場(chǎng)的量子霍爾效應，但是多年來(lái)一直未能找到能實(shí)現這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領(lǐng)的團隊與張首晟教授等合作，從理論與材料設計上取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓撲絕緣體中存在著(zhù)特殊的V.Vleck鐵磁交換機制，能形成穩定的鐵磁絕緣體，是實(shí)現量子反?；魻栃淖罴洋w系［Science，329, 61（2010）］。他們的計算表明，這種磁性拓撲絕緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強度下，即處在“量子反?；魻栃睉B(tài)。該理論與材料設計的突破引起了國際上的廣泛興趣，許多世界頂級實(shí)驗室都爭相投入到這場(chǎng)競爭中來(lái)，沿著(zhù)這個(gè)思路尋找量子反?；魻栃?。
圖二，理論計算得到的磁性拓撲絕緣體多層膜的能帶結構和相應的霍爾電導
在磁性摻雜的拓撲絕緣體材料中實(shí)現“量子反?；魻栃?，對材料生長(cháng)和輸運測量都提出了極高的要求：材料必須具有鐵磁長(cháng)程有序；鐵磁交換作用必須足夠強以引起能帶反轉，從而導致拓撲非平庸的帶結構；同時(shí)體內的載流子濃度必須盡可能地低。最近，中科院物理所何珂、呂力、馬旭村、王立莉、方忠、戴希等組成的團隊和清華大學(xué)物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團隊合作攻關(guān)，在這場(chǎng)國際競爭中顯示了雄厚的實(shí)力。他們克服了薄膜生長(cháng)、磁性摻雜、門(mén)電壓控制、低溫輸運測量等多道難關(guān)，一步一步實(shí)現了對拓撲絕緣體的電子結構、長(cháng)程鐵磁序以及能帶拓撲結構的精密調控，利用分子束外延方法生長(cháng)出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運測量裝置上成功地觀(guān)測到了“量子反?；魻栃?。該結果于2013年3月14日在Science上在線(xiàn)發(fā)表，清華大學(xué)和中科院物理所為共同第一作者單位。
圖三，在Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜中測量到的霍爾電阻
該成果的獲得是我國科學(xué)家長(cháng)期積累、協(xié)同創(chuàng )新、集體攻關(guān)的一個(gè)成功典范。前期，團隊成員已在拓撲絕緣體研究中取得過(guò)一系列的進(jìn)展，研究成果曾入選2010年中國科學(xué)十大進(jìn)展和中國高校十大科技進(jìn)展，團隊成員還獲得了2011年“求是杰出科學(xué)家獎”、“求是杰出科技成就集體獎”和“中國科學(xué)院杰出科技成就獎”，以及2012年“全球華人物理學(xué)會(huì )亞洲成就獎”、“陳嘉庚科學(xué)獎”等榮譽(yù)。該工作得到了中國科學(xué)院、科技部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì )和教育部等部門(mén)的資助。（來(lái)源：中科院物理研究所）
（原標題：“量子反?；魻栃毖芯咳〉弥卮笸黄疲?/font>
