中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤，28日通过视频在上海交通大学李政道研究所与会发言，“特别向小李教授、小刘教授表示祝贺。”整整10年前，正是他领衔的实验团队首次观察到“整数量子反常霍尔效应”，这一研究成果也荣获了2018年国家自然科学一等奖。
李所“天问”长卷
2023诺奖季之前，面对薛其坤、谢心澄、封东来以及张杰等本校和外校多位院士，上海交大一对30多岁的青年教师夫妇李听昕、刘晓雪团队，当天下午在李所发布了“分数量子反常霍尔效应”重大成果。其中，“李政道学者”刘晓雪为1990年生人，也是一位宝宝不足百日的新妈妈，主要负责实验器件设计与制备等。
李听昕、刘晓雪夫妇
他们“复合”两大诺奖发现，开展实验物理研究，得到国际顶刊审稿人高度评价，认为是在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研究铺平了道路。据悉，该项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。
【确凿证据全找到，用了144年之久】
事实上，从霍尔效应到量子霍尔效应再到量子反常霍尔效应，它们的理论预见与实验证据，历经144年之久才都找到了确切的答案。这次中国领衔的相关论文发表27日首发在《物理学评论》（Physical Review X）上，并被编辑重点推荐；《自然》（Nature）同日出版的评论文章也是“高亮报道”，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。
美国科学家霍尔（Edwin Hall）在1879年研究金属的导电机制时发现，给一块导体施加电流和一个垂直于电流方向的磁场，产生了“霍尔电压”，该效应被称为霍尔效应。根据霍尔效应原理制成的霍尔传感器，在速度传感等方面至今应用广泛。
1980年初，德国物理学家K. von Klitzing在研究二维电子系统的霍尔电阻时，发现极低温和强磁场的极端条件下，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呈现出零电阻态。这一现象被称之为整数量子霍尔效应。
后来，理论物理学家意识到，必须要利用数学中的拓扑理论，将拓扑的概念引入物理研究，才能完整理解整数量子霍尔效应，由此开启了拓扑物理研究时代。整数量子霍尔效应，也成为人类发现的第一种拓扑量子物态。
通常，真空中的电子总是带整数的电荷数，不可能出现带分数的电荷；而交大物理与天文学院副教授李听昕比方说，在后来惊人发现的分数量子霍尔效应中，一个电子可以分裂成三份，每个都带着1/3电荷。可以说，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，成为拓扑量子计算的重要候选方案之一。
然而，有正常效应，就可能有反常效应。美国理论物理学家D. Haldane在1988年计算得出：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。这一理论工作也是他荣获2016年诺贝尔物理学奖的代表性工作之一。至此，量子霍尔效应先后获得了3次诺奖。
李听昕作报告
【“叠加”诺奖二维材料，特殊“魔角”观测】
令人期待又遗憾的是，量子反常霍尔效应在之后20余年的时间内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证实。
那么，能否真的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呢？2011年时，先后5篇独立发表的理论研究工作，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这种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解决带来新机遇。
对此，李听昕告诉解放日报·上观新闻记者，最有代表性的具有层状结构的二维材料就是石墨，它是一层层的碳原子构成的。近年来，两位英国科学家第一次得到了单原子层的石墨烯，获得2010年诺贝尔物理学奖。
比诺奖发现更有趣的是，当把两层石墨烯放在一起，但并不对齐，转开一个特定角度，便出现新的周期性结构，称之为“魔角石墨烯”，也可以说是莫尔超晶格。带有“魔角”的莫尔超晶格体系，在零磁场下展现出许多普通石墨烯不存在的性质。其中，就包括观测到了整数量子反常霍尔效应。
通过交大微纳加工公共平台的设计和制备，他们基于二维层状材料莫尔超晶格系统，锁定了半导体材料——二碲化钼MoTe2这一实验体系。刘晓雪介绍，它们上下层面呈现约4度转角，一层厚度只有一张纸的十万分之一。于是，李听昕、刘晓雪团队的实验与美国田纳西大学张阳团队的理论“叠加”合作，在分数量子反常霍尔效应研究方面取得了此次突破性进展。
国际期刊页面
在这一新型转角材料的莫尔超晶格器件上，他们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。该工作成为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，也是同一周之内在国际上在线发表。
本文作者：徐瑞哲
题图来源：徐瑞哲 摄
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