量子反常霍尔效应新突破：零磁场下量子电阻标准实现10⁻⁹级精度

电学计量的基础依赖于基本单位（如电阻单位欧姆）的精确和稳定的标准。几十年来，量子霍尔效应 (QHE) 提供了最精确的欧姆实现方式，将电阻与自然基本常数联系起来。然而，传统的量子霍尔效应需要强磁场，这带来了实验上的复杂性。最近发表在《自然》的一篇论文，开发出基于量子反常霍尔效应 (QAHE) 的零磁场量子电阻标准，达到了前所未有的 10⁻⁹ 精度。这一突破标志着朝着更易于访问和集成的量子电学计量迈出了重要一步。

量子霍尔效应及其局限性

在受到强磁场和低温影响的二维电子系统中观察到的量子霍尔效应表现出量子化霍尔电阻，其公式为：R_H = h / (νe²)。其中 h 是普朗克常数，e 是基本电荷，ν 是一个整数或一个简单的分数，称为填充因子。这种量化非常精确和鲁棒，使量子霍尔效应自1990年以来成为电阻的主要标准。电阻量子 h/e² 被称为冯·克利青常数R_K，公认值约为 25812.808 欧姆。

尽管量子霍尔效应具有很高的精度，但也存在局限性。需要高磁场（通常为几特斯拉）就必须使用体积庞大且昂贵的超导磁体。这限制了量子霍尔效应作为主要标准的普及和广泛应用。此外，强磁场会干扰其他敏感的测量和实验。

量子反常霍尔效应：零磁场替代方案

量子反常霍尔效应提供了一种有希望的替代方案，即使在没有外部磁场的情况下也表现出量子化的霍尔电阻。这种效应出现在某些磁性拓扑绝缘体中，这些材料具有独特的电子特性。这些材料具有体绝缘间隙，但具有独特的拓扑序的导电表面态。当引入铁磁性时（无论是内在的还是通过掺杂），表面态变成手性的，从而导致量子反常霍尔效应。

在量子反常霍尔效应中，霍尔电阻也根据与量子霍尔效应相同的公式进行量化。然而，在这种情况下，量化发生在零磁场下，使其成为电阻计量中非常理想的替代方案。

实验结果

该研究使用了磁性拓扑绝缘体材料，特别是掺钒的(Bi,Sb)2Te3。这种材料因其能够在相对较低的温度下表现出量子反常霍尔效应而被选中。研究人员精心制备了材料，并对其电学性能进行了高精度测量。

团队的测量结果显示，当外推到零测量电流时，霍尔电阻相对于冯·克利青常数的偏离值仅为（4.4 ± 8.7）nΩ/Ω。同样，当外推到零纵向电阻时，偏离值为（8.6 ± 6.7）nΩ/Ω。结果表明，电阻量子化的精度达到10⁻⁹水平，满足了实际计量应用的严格要求。

对计量学的影响

这项研究对计量学领域的影响深远。量子电阻标准对于确保全球电气测量的精度和一致性至关重要。传统上，这些标准依赖于量子霍尔效应和强磁场的应用。实现无外部磁场的高精度，使得实验装置更加简化，并减少了潜在的误差来源。

此外，量子电阻标准与其他量子电学标准（如量子电压）的集成变得更加可行。这可能会导致一个统一且更稳健的量子电学标准系统的发展，增强各种科学和工业应用中的测量精度和可靠性。

结论

在10⁻⁹水平下的无外部磁场量子电阻标准的实现标志着量子计量学领域的一大飞跃。通过利用量子反常霍尔效应和磁性拓扑绝缘体的独特性质，研究人员设立了电气测量精度和准确性的一个新基准。这一突破不仅加深了我们对量子现象的理解，还为计量实践的转变提供了希望，使量子标准更加易于获取和可靠。