年1月8日上午，“年度国家科学技术奖励大会”隆重召开。中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤教授领导的清华大学、中科院物理研究所实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”项目，获得本年度国家自然科学奖项中唯一的一等奖。这项发表于年的研究工作，被称为诞生在我国本土实验室的诺奖级重大成果。

量子反常霍尔效应，对普通人来说，拗口又晦涩。但在物理学家眼中，它“神奇”又“美妙”。因为这一效应的发现可能带来下一次信息技术变革。采用这种技术设计的集成电路和元器件，千亿次的超级计算机有望做成平板电脑那么大，智能手机的内存可能会提高上千倍。

那么，量子反常霍尔效应到底是一种怎样的物理现象，它的发现为何能引起如此巨大的反响呢？

在了解量子反常霍尔效应之前，我们还是要先从经典电磁学中的霍尔效应开始说起。

年前，也就是年，美国物理学家霍尔在研究金属的导电机制时，发现了霍尔效应。现在这一经典效应，早已经成为高中物理课本中的重要内容。

我们先来简单回顾一下，课堂上学过的知识。

霍尔效应是指，当通过导体的电流与外磁场垂直的时候，导体内的自由电子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一个附加电场，从而在导体的两端产生电势差，也就是电压，这一现象就是霍尔效应，这个电压也被称为霍尔电压。

年的时间里，霍尔效应在电力电子，特别是传感器等领域获得了广泛的应用。现代汽车上，比如汽车速度表及里程表、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速、曲轴角度传感器、抗干扰开关等等，都是应用霍尔效应原理制成的霍尔器件。

霍尔效应的概念本身还算容易理解，但是，当它与量子理论结合时又会擦出怎样的火花呢？

我们知道，当物理学研究对象本身的维度进入到微观领域时，与我们在宏观世界中的日常经验完全迥异的量子理论，就将掌控各种物理规律。这个时候，若干物理量的连续变化将呈现为间断性变化，体现出量子特征。例如，宏观世界的苹果，有大有小，苹果的大小可以连续变化。而微观世界中的苹果，大小就不是连续变化的了，而是相当于某个基础苹果尺寸的整数倍，不存在其它尺寸的微观苹果。

用这个听起来不太确切的例子，想要说明的是，在量子力学的世界中，很多物理量都是某一基础值的整数倍。

我们再回过头来继续刚才说到的量子理论与霍尔效应相结合的话题。高中物理知识告诉我们，在无限大均匀平面磁场中，以垂直磁感线方向入射的初速不为零的电子，将做匀速圆周运动。而在经典的霍尔效应导体中，自由电子虽然会在磁场作用下发生偏转，但由于偏转半径很大，尚未完成圆周运动就会堆积在导体一侧。

想让自由电子在导体内部完成圆周运动，还需要一个特定的环境：首先要在足够低的温度中，再有一个非常强的外加磁场，在这样的环境下电子的偏转半径就会明显减小，从而可能在导体内部完成圆周运动。

这时的导体内部，仿佛存在无数个高速转动的“陀螺”。当外加磁场继续增大，电子的回旋半径会进一步缩小，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，导体内部电子在原地进行圆周运动，而导体边缘电子就会形成导电通路。

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，需要依赖强大的外加磁场条件，所以缺乏实用性。试想一下，如果开发一枚具备量子霍尔效应的超导芯片，虽然它本身具有低发热、高速度等有益特点，但想要维持运转，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。

如果找到一种材料，可以不依赖强磁场就能产生量子霍尔效应，那岂不是事半功倍了嘛。没错，这种材料就是大名鼎鼎的拓扑绝缘体。

自从年面世后，拓扑绝缘体在全世界吸引了堪比石墨烯材料的

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