凝聚态物理领域的量子霍尔效应的相关研究曾经三获诺奖，一次是二维材料中量子霍尔效应的发现，另一次是分数量子霍尔效应的发现。但是这两次发现都是在强磁场情况下产生的现象，还有一次则是霍尔效应的理论发现。昨天，上海交通大学李听昕、刘晓雪团队发现并验证非强磁场现象下的分数量子反常霍尔效应的存在的成果发表在物理学研究领域的顶尖期刊《物理学评论X》上，并被重点推荐。这一成果在该领域内实现了突破性的进展，而且团队通过原创的新型器件的制备方法为后续的一系列研究铺平了道路。该研究开启了零磁场条件下研究分数电荷激发、任意子统计等新奇物性的大门，为拓扑量子计算等研究提供了新的可能与机遇。今天（28日），李听昕、刘晓雪团队就“分数量子反常霍尔效应”成果进行了发布。中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤，中国科学院院士、北京大学教授谢心澄，中国科学院院士、中国科学技术大学教授封东来，中国科学院院士、李政道研究所所长、上海交通大学原校长张杰，上海交通大学党委委员、副校长奚立峰，中国科学院院士、物理与天文学院副院长贾金锋等均出席了成果发布会，并给予成果极高评价。
量子霍尔效应的前世今生所谓量子霍尔效应是指横向电压与施加电流的比值就是霍尔电阻，霍尔电阻与磁场之间呈线性关系，这就是经典霍尔效应，根据经典霍尔效应制成的霍尔传感器在我们如今现在日常生活中有非常广泛的应用。其后，1980年初，德国物理学家冯·克里钦在研究二维电子系统的霍尔电阻时，发现在1.5 K低温（宇宙背景温度约为2.7 K）和18 T强磁场（约为地磁场强度的几十万倍）的极端条件下，样品的霍尔电阻出现了一系列量子化的平台，并且纵向电阻会相应的呈现出零电阻态。包括他本人在内的很多科学家意识到，这一现象与二维电子系统在磁场下形成的朗道能级相关，而量子化的霍尔平台也恰发生在朗道能级填充为整数的时候，因此这一现象被称之为整数量子霍尔效应。因为这一重大实验发现，K. von Klitzing荣获了1985年的诺贝尔物理学奖。量子霍尔效应有着非常优美的物理现象：其体内电子是局域的，不参与导电；而在样品边缘存在有一维的导电通道，其中的电子只能做单向运动，不能返回，所以不会产生电阻。而且令人感到震惊的是，在整数量子霍尔效应中，量子化的霍尔电阻平台与材料细节无关，其数值仅由基本物理学常数决定，且量子化程度又极其精确。后来，以D. Thouless为代表的理论物理学家意识到，必须利用数学中的拓扑理论才能完整的理解整数量子霍尔效应，由此开启了拓扑物理研究的时代。整数量子霍尔效应是人类发现的第一种拓扑量子物态，D. Thouless也由于凝聚态拓扑理论方面的开创性贡献获得了2016年诺贝尔物理学奖。1982年，利用更为纯净的砷化镓量子阱二维电子样品，在更低的温度下，美国贝尔实验室的崔琦、H. Stormer发现了更加惊人的分数量子霍尔效应。他们发现在朗道能级填充因子为分数的时候，也出现了量子化的霍尔平台，这说明系统中出现了分数电荷激发。通常，一个电子是带有一份元电荷的，但当大量的电子在固体材料中进行复杂的相互作用时，就可以演生出分数电荷激发。分数量子霍尔效应是本质上不同于整数量子霍尔效应的强关联量子物态，是一种奇异的量子流体，具有由于电子关联形成的拓扑序，呈现出长程量子纠缠和分数电荷激发，一些分数量子霍尔态的准粒子激发还可能满足非阿贝尔统计，是拓扑量子计算的重要候选方案之一。
分数量子霍尔效应的实验发现及理论解释获得了1998年诺贝尔物理学奖。整数和分数量子霍尔效应的产生都依赖于磁场下二维电子系统形成的朗道能级结构，这需要强磁场和极低温条件，那么是否存在不需要磁场的量子霍尔效应呢？美国理论物理学家D. Haldane在1988年首次给出了答案，他考虑给石墨烯施加一种奇特的磁通结构，这样使得净磁场是零。在这种情况下，他计算得出可以出现零磁场下的整数量子霍尔效应，后来被称作量子反常霍尔效应。这一理论工作也是D. Haldane荣获2016年诺贝尔物理学奖的代表性工作之一。Haldane模型要求的磁通结构在真实材料中几乎是不可能实现的，因此量子反常霍尔效应在之后20余年的时间里面一直未能获得实验实现。直到2013年，才由我国科学家薛其坤院士领衔的实验团队在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜当中首次观察到整数量子反常霍尔效应，这一重要的研究成果也荣获了2018年国家自然科学一等奖。基于以上研究历史的介绍，可以凝练出一个重要的科学问题，那就是能否实现零磁场条件下的分数量子霍尔效应，即分数量子反常霍尔效应。2011年，先后五篇独立的理论研究工作从不同角度肯定了分数量子反常霍尔效应存在的可能性。但人们一直没有找到能够实现分数量子反常霍尔效应的材料系统，直到二维材料莫尔超晶格的出现才为这一问题带来新的机遇。
实现非强磁场条件下的分数量子霍尔效应近年来，基于二维材料莫尔超晶格系统，国际国内的研究者们在有关分数量子反常霍尔效应的理论和实验研究方面开展了大量探索，最终将目光聚焦到转角
MoTe2体系
。此次李听昕和刘晓雪团队
与美国田纳西大学张阳团队合作，设计制备了新型转角MoTe2莫尔超晶格器件，通过开展电学输运实验，观测到分数量子反常霍尔效应存在的确凿证据，是国际上同期两个独立实验工作之一。今年4-5月，美国华盛顿大学Xiaodong Xu研究团队和美国康奈尔大学Kin Fai Mak，Jie Shan研究团队分别独立地报道了转角
MoTe2中存在有分数量子反常霍尔态的迹象。但这两项研究工作采取的光学测量手段并不能给出分数量子反常霍尔效应存在的直接确凿证据。上海交通大学李听昕、刘晓雪团队（实验）与美国田纳西大学张阳团队（理论）合作，在分数量子反常霍尔效应研究方面取得了突破性进展。他们设计制备了新型转角
MoTe2莫尔超晶格器件，通过开展电学输运实验，直接观测到分数量子反常霍尔效应存在的确凿证据，该工作是国际上同期两个独立实验工作之一（另一实验工作由美国华盛顿大学Xiaodong Xu研究团队完成）。该工作得到了审稿人的高度评价，被认为是领域内的突破性进展，且原创的新型器件制备方法为后续一系列围绕分数量子反常霍尔效应的研究铺平了道路。该研究开启了零磁场条件下研究分数电荷激发、任意子统计等新奇物性的大门，为拓扑量子计算等研究提供了新的可能和机遇。论文发表在Physical Review X 13, 031037 (2023)上，并被编辑以Featured in Physics 形式重点推荐；Nature出版的“news & views”评论文章认为两项研究工作为分数量子反常霍尔效应提供了确定性的证据（smoking-gun signature）。
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作者：姜澎
