不得了：光，终于学会了电子百年前的“作弊”走法

探索宇宙奥秘 · 理性思考

物理学里有个著名的“霍尔效应”，简单来说，就是电子在磁场中走路时会“跑偏”。这个现象自19世纪末被发现以来，不仅催生了无数传感器，更在20世纪80年代演变成一个更神奇的版本——量子霍尔效应。在这个版本里，电子的“跑偏”不再是随意的，而是踩着严格的、量子化的台阶走。这个发现如此重要，以至于在1985年、1998年和2016年三次斩获诺贝尔物理学奖。

但光子，光的组成粒子，一直是个“旁观者”。它不带电荷，磁场对它无可奈何，自然也就没法复现电子那种量子化的精准漂移。

直到现在。

2026年2月24日，蒙特利尔大学的研究团队在《物理评论X》上投下了一枚重磅炸弹：他们首次在实验上让光也实现了这种量子化的“漂移”。这束光，终于学会了电子玩了百年的“作弊”走法。

要理解这个突破的难度，得先回到1980年。当时，德国物理学家冯·克利青在研究一种只有原子层厚的二维材料时发现，在极低温和强磁场下，电子的霍尔电阻不再连续变化，而是出现了一系列的平台，数值精确地等于基本物理常数（h/e²）除以整数。这就是整数量子霍尔效应。

为什么电子能走得这么“齐”？关键在于磁场。强磁场让电子在材料内部做回旋运动，困在原地无法导电，只剩下材料边缘的“边缘态”可以通行。这些边缘态就像单向车道，电子只能沿着一个方向跑，遇到障碍物（杂质）也绝不回头，从而实现无损耗的传输。

光就完全不一样了。光子是“电中性”的，磁场对它“视若无物”。让光也像电子那样，在边缘有条不紊地单向漂移，且每一步都踩在由宇宙基本常数决定的台阶上，听起来像是天方夜谭。

但这次，研究者们做到了。

他们设计了一套精巧的实验装置，用光子晶体为光搭建了一个人造的“赛道”。通过精密的调控和稳定化，他们成功让光在传播过程中发生了横向的漂移，并且这个漂移量是量子化的，就像电子在量子霍尔效应中表现的那样。

这项发现的意义远不止于基础物理的突破。它的价值，可以从“一叶知秋”的角度来审视。

量子霍尔效应在电子身上最牛的应用，就是计量学。如今，全球对“千克”的定义，就依赖于一种叫“基布尔天平”的装置，它需要精确比较电流和质量。而电流要校准得毫厘不差，就需要一个普适的电阻标准。量子霍尔效应中那些精确的电阻平台，恰好就提供了这个标准，让全世界不同国家的实验室都能复现完全一致的电阻单位——欧姆。

那么，光版的量子霍尔效应能做什么？

首先，它有可能提供一个更优的“光学版”计量黄金标准。光信号的测量和操控在某些方面比电子信号更有优势，比如频率更高、带宽更大。用光学系统来定义或传递标准，可能会带来测量精度上的新飞跃。

更重要的是，它为量子信息和拓扑光子学开辟了新天地。既然光能在边缘实现无损的、量子化的单向传输，那就可以用来构建更鲁棒的光量子计算机中的信息通道。光子在传输中天然免疫散射和缺陷，这意味着未来基于光的量子芯片，信号损耗会大大降低。

此外，根据研究人员的说法，这种完美量子化的“偏离”本身，反而是探测微小环境变化的绝佳探针。这意味着我们可以用它来开发极端灵敏的新型传感器。

当然，作为中国的读者，我们更关心的是，在这场关于光和拓扑的前沿竞赛中，我们处于什么位置？

答案是：我们不仅在场，而且在多个关键节点上，正跑在世界最前沿。

就在这项成果公布前的两周，2026年2月11日，南京大学何程、陈延峰团队刚刚在《科学·进展》上报告了他们在“光三维量子反常霍尔效应”中的重大突破。他们用特殊设计的磁光光子晶体，实现了光在三维材料中从一维棱到二维面的“跨维度”单向传输。这补齐了三维磁拓扑物态中手性边界传输的一块关键拼图。

再把目光投向2024年5月。中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队在《科学》上报告了“光子的分数量子反常霍尔态”的首次实现。他们用“自底而上”的方法，在人工搭建的超导量子比特阵列上，直接构造出光子的等效磁场和非线性相互作用，模拟出了这一极难观测的量子态。诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克评价这是“一个令人印象深刻的实验”。

从量子模拟，到新型光子晶体，再到跨维度的手性传输……短短两年间，中国科学家在“让光听话”这个领域，取得了一系列密集而关键的突破。这些成果不再是简单的跟踪和模仿，而是在探索全新的物理机制，并向着未来可集成、低损耗的光量子器件扎实迈进。

光，终于学会了电子的精准步伐。而在这场新的竞逐中，中国科学家正在用精密的实验和非凡的想象力，书写着属于自己的篇章。