热也会“霍尔效应”？中国科学家发现热量也能量子边缘传输

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想象一下，把一杯热水放在桌上。按照常识，热量会毫无规矩地向四面八方扩散，直到整张桌子变得温吞吞。这个过程，我们称之为“耗散”，在物理学里，它几乎是“无序”和“损失”的同义词。

现在，想象另一种场景：这杯水的热量，仿佛被施加了魔法，不再四处乱窜，而是像训练有素的士兵，整齐划一地只沿着桌子的边缘流动，且几乎不损失一丝能量。

这种违背直觉的场景，最近真的被科学家实现了。新加坡国立大学、中国东南大学等机构的研究人员，在宏观尺度上首次观测到一种由“耗散”本身诱导的量子热霍尔效应。这项研究刚刚发表在顶级期刊《物理评论快报》上 。

要理解这个发现有多颠覆，得先聊聊“量子霍尔效应”。

在微观世界，比如一片二维材料里，如果施加一个超强磁场并冷却到极低温，电子就会“乖乖听话”。它们不再无序碰撞，而是在磁场作用下形成分立的“朗道能级”，并沿着材料的边缘无损耗地奔跑。这就是量子霍尔效应，它代表了电子在量子层面的有序状态 。

长久以来，物理学界有一个根深蒂固的观念：想要实现这种量子化的有序，必须依赖磁场来操控带电粒子。而热，作为原子振动的无序能量，它的扩散过程（热扩散）天生就伴随着耗散，被认为是“无能”诱发这种量子效应的。

那么，研究团队是如何化不可能为可能的？他们的秘诀是：没有磁场，就创造一个“赝磁场”。

这个“赝磁场”并非由磁铁产生，而是一种通过精心设计的“自旋平流”在热扩散系统中合成的等效场 。它像一个看不见的手，虽然没有直接作用在电荷上，却巧妙地影响了热量传播的“路径”。

在这个人工合成的“赝磁场”作用下，原本杂乱无章的热扩散过程，竟然被诱导出了类似朗道能级的量子化能谱。研究人员在系统中测量到了间距均匀的“赝朗道能级”——这是热量世界从未出现过的量子指纹。

更精彩的在后面。正是在这种由耗散驱动的赝朗道能级帮助下，他们观测到了“热霍尔效应”：热量不再均匀扩散，而是偏向一个方向，沿着系统的边界进行低损耗传输，形成了一个宏观尺度上的“热量高速公路”。实验数据显示，这种效应表现为一个平台化的有效热阻，这正是量子霍尔效应的典型特征 。

这项发现之所以令人兴奋，是因为它将量子效应从极低温、强磁场的苛刻微观条件下“解放”了出来，带入了我们日常可见的宏观世界。

这不禁让人联想到2024年诺贝尔物理学奖。该奖项表彰了“在电子电路中实现宏观量子隧穿和能量量子化”的工作。诺贝尔奖委员会强调的是，量子效应不再仅仅是微观世界的奇观，它可以在宏观电路中展现。

对于国内读者而言，这项研究还有一个特别值得关注的点：它背后闪耀着扎实的中国科研力量。

这表明，在热传导、非厄米物理这些前沿基础科学领域，中国科学家不仅跟上了步伐，更已具备了引领突破的能力。他们不是简单重复别人的实验，而是在用精巧的物理思想，创造前所未有的新效应。

这项研究为未来的热管理技术打开了一扇全新的大门。既然我们可以像控制电子一样，给热量修一条“量子高速公路”，那么未来的芯片散热、能源系统的热控制，或许都能从中获得颠覆性的解决方案。届时，我们的手机和电脑，可能会以一种完全不同的方式告别“发烧”。