诺奖下周揭晓：薛其坤量子反常霍尔效应为啥被杨振宁称诺奖级？

2013年3月15日，美国物理学会年会现场。薛其坤走上讲台，台下坐着全世界最顶尖的凝聚态物理学家。

他宣布了一件事：他的团队在世界上首次从实验中观测到了量子反常霍尔效应。

报告结束，全场起立。诺贝尔物理学奖得主杨振宁给出了一句后来被反复引用的评价：“这是第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级别的物理学论文。 ”

13年后的今天，薛其坤凭借这一成果入选2026年度“引文桂冠奖”——这个奖自2002年设立以来，已有89位得主后来拿了诺贝尔奖。下周，诺贝尔物理学奖即将揭晓。

但抛开“能否获奖”的悬念，一个更基本的问题值得回答：量子反常霍尔效应，到底牛在哪？

霍尔效应家族：从堵车到高速公路

先讲一个生活场景。

你开车走在一条四车道的公路上。如果每辆车都随意变道、互相穿插，整条路就会堵成一锅粥。电流在普通导线里流动，就是这个状态——电子四处乱撞，碰撞产生电阻，电阻产生热量。你的手机用久了会发烫，根子就在这里。

1879年，美国物理学家霍尔发现了一个有趣的现象：如果在导体上施加一个垂直方向的磁场，电子会受到一个侧向的力，偏向导体的一边，在两端形成电压。这就是霍尔效应。

1980年，德国科学家冯·克利青在极低温和超强磁场下发现了一个更神奇的现象：导体内部的电子在原地打转，但边界上形成了没有电阻的导电通道——电子像在高速公路上分车道行驶，各行其道，永不混杂，遇到杂质自动绕行。这就是量子霍尔效应。冯·克利青因此获得了1985年诺贝尔物理学奖。

“反常”二字，值一座诺贝尔奖

但量子霍尔效应有一个致命的工程缺陷：它需要极低温和超强磁场。这个磁场强度是地磁场的几万倍甚至几十万倍，需要一套衣柜大小的设备来产生，极其昂贵。你不可能把一台冰箱大小的磁体塞进手机里。

所以物理学界一直在追问：能不能不用外磁场，只靠材料自己，就实现电子高速公路？

这就是“反常”二字的含义。量子反常霍尔效应，是不需要外加磁场的量子霍尔效应。它由材料自身的磁性和特殊的电子结构驱动。

打个比方：普通量子霍尔效应像是一条需要外接电源才能亮的灯带。量子反常霍尔效应则像自带电池的灯带——插上就能用，不需要额外设备。

1000多个样品，4年攻关

但“不需要外磁场”这件事，说起来容易，做起来几乎不可能。

要在实验上实现量子反常霍尔效应，材料必须同时满足三个条件：能带结构具有拓扑特性，从而产生导电的边缘态；具有长程铁磁序，从而产生反常霍尔效应；内部是绝缘体，从而让电流只在边缘流动。

用薛其坤自己的话说，这好比要求一个人同时具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度和体操运动员的灵巧。

美国、德国、日本的团队都尝试过，全部失败。

薛其坤团队从2009年开始攻坚。四年时间，他们生长和测量了超过1000个样品，利用分子束外延方法生长出高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜，在极低温环境下逐一测量。

终于，他们在零磁场下观测到了反常霍尔电阻达到量子霍尔效应的特征值——25800欧姆。

世界难题被攻克。

这和你的手机有什么关系？

量子反常霍尔效应的核心价值，用一句话概括：它让电子在零磁场下实现无能耗传输。

这意味着什么？

你手机发热、电脑风扇狂转、数据中心耗电量惊人——根源都是电子在芯片里“堵车”，碰撞产生热量。如果电子能像在量子反常霍尔态的材料里那样，沿着边缘“各行其道”，几乎不产生热量，能耗极低。

薛其坤说得很直接：“长时间使用计算机时，芯片会发热，不但会产生能量损耗，还会导致器件运算速度变慢。处于量子反常霍尔态的材料，在没有外磁场时就可以实现无能耗的电子传输，可以用来发展极低能耗的电子器件芯片。”

2024年，复旦大学王靖课题组理论预言了一大类二维材料，其中几种材料有望在近室温条件下实现量子反常霍尔效应。这离工程应用又近了一步。

13年，从发现到等待

从2013年首次实验观测，到2026年入选引文桂冠奖，13年过去了。

这个时间跨度并不意外。1985年获得诺奖的整数量子霍尔效应，从1980年发现到获奖只用了5年。1998年获奖的分数量子霍尔效应，从1982年发现到获奖用了16年。量子反常霍尔效应的等待时间，落在这个区间之内。

但比奖项更值得关注的，是这项成果本身的意义。

量子霍尔效应家族此前已经三度斩获诺贝尔物理学奖——整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、以及后来拓扑相变的发现。而量子反常霍尔效应，被学界认为是“量子霍尔效应家族中最后一个重要成员”。

最后一个成员，来自中国的实验室。

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