超越欧姆定律

8月北京的清晨，暴雨之后，难得的凉爽。我打车刚到清华西北门，就看到门口大队大队的中学生，还有他们的父母，排着队照相。这些来自全国各地的孩子，个个都特别兴奋。

不知为何，我突然眼睛有些发酸。

这就是清华——中国人心中最神圣的两所大学之一。

采访的联系人张友生老师给门卫打了电话，我走进了宁静的清华园。

行走在寂静的清华园，看着那些骑着自行车，风一般掠过的清华学子，我的心里涌起一阵佩服。我的孩子曾经就读于我们市最好中学的清北班，那几年里，考上清华、北大，就是我女儿和她的清北班同学，还有我们全部家长做梦都想的事儿。虽然她后来申请到了美国排名14的大学，我此刻仍然發现，和所有中国人一样，最让我肃然起敬的，依然还是清华、北大。

而我今天要去采访的，是中科院院士、清华副校长薛其坤。

习近平总书记介绍我国自新中国成立以来在基础前沿领域国际领先的代表性工作时，提到量子反常霍尔效应，其发现者是：薛其坤团队;

“从中国的实验室里头，第一次做出并发表出诺贝尔奖级的物理学论文”——杨振宁教授所说的，是薛其坤团队;

2016年诺贝尔物理学奖获得者、普林斯顿大学的霍尔丹（Haldane）教授在介绍其获奖理论工作时同时介绍的实验发现，其发现者仍然是：薛其坤团队。

薛其坤，那个在央视《朗读者》节目中，用沂蒙口音讲述他的日本导师请他吃生鱼片，然后问董卿：“生鱼片，你吃过吧？”一句话让观众大笑之余留下深刻印象的朴实可爱的科学家。

中国实验室的重大科学发现：量子反常霍尔效应

“我叫薛其坤，薛宝钗的薛，薛定谔的薛。50多年以前，我出生在山东沂蒙山区的一个小山村，家乡非常贫穷。我就像一只小船从非常简单的地方出发，到济南读大学，到孔子的家乡曲阜工作。然后，来到了我们的首都北京读研究生。然后又东渡日本的仙台，和鲁迅先生做校友，留学、工作。然后又到美国做博士后。在地球上转了一圈以后，又落脚于北京，落脚于清华大学。今天我代表我的团队走到了这个崇高的舞台上。我想说能够登上这样的舞台，我是特别幸运的人。所以，我感激，我感恩。”

这是薛其坤2016年9月在未来科学大奖物质科学奖颁奖仪式上的深情告白。未来科学大奖是一个对标诺贝尔奖的中国民间科学大奖，首届包括物质科学奖和生命科学奖两个奖项，每一个获奖者的奖金高达一百万美元，其中物质科学奖由著名企业家邓锋、吴亚军、吴鹰、徐小平捐赠设立。薛其坤这条从沂蒙山区出发的小船，凭借什么获此殊荣？

他凭借的是2012年12月，中国清华大学的实验室里所诞生的一项重大的科学发现：薛其坤团队在真实材料中发现了量子反常霍尔效应。这是新中国成立以来由我国科学家发现的、寥寥无几的重要科学效应之一。

这是一项颠覆性的科学发现，它使我们人类对微观世界电子运动规律的认知达到了一个全新的高度。

欧姆定律是电磁学的经典规律。按照人们熟知的欧姆定律，在同一电路中，通过某段导体的电流跟这段导体两端的电势差成正比，跟这段导体的电阻成反比。简单地说，有电流时一定会有电压和电阻。

可是，在量子反常霍尔效应中，就是可以有电流时没有电阻和电压。

同样根据欧姆定律，电流在传输的同时会产生热，其热量正比于电阻以及电流的平方。热的产生既有用，也有害，比如，电阻存在导致的器件发热是包括微电子产业在内的很多产业都面临着的一个瓶颈问题。

既然在量子反常霍尔效应中，电流通过时材料没有电阻，器件在运行时发热将会很少，发热、能耗、速度慢等问题理论上说就可以被完全避免。你能想象你的手机一个星期不充电吗？它是不是很颠覆？量子反常霍尔效应甚至还将有可能带来更多我们无法想象的应用，更多我们无法想象的变革。而且做到这一切，它并不需要像三次斩获诺贝尔物理学奖的量子霍尔效应一样需要强磁场。它根本不需要磁场。

但是什么是量子反常霍尔效应？在了解它之前，我们先来了解什么是量子霍尔效应。

量子霍尔效应：强磁场下电子的高速公路

我去采访薛老师的时候，特地把手机充满电，充电宝充满电，生怕采访的时候，正录着音，手机没电了，掉链子。

手机没电是一件非常尴尬的事儿，而这件事又经常发生。

手机为什么会经常没电？因为普通状态下的电子运动，时有碰撞。就像人从乱糟糟的农贸市场的一端走到另一端，总会走弯路、碰到人，那么就会造成发热、效率不高，这不只是手机这种电子产品耗电快的原因之一，也是目前所有晶体管发热、能耗高的重要原因之一。

有什么方法能让电子运动像车子在“高速公路”上分道行驶，有一定规则，而不是像在农贸市场里那么混乱无序吗？

有，那就是量子霍尔效应中的电子运动。

量子霍尔效应是指在强磁场的条件下，电子运动如同车辆在高速公路上行驶一般规则有序，这无疑可以减少电子相互冲撞造成的发热、能耗高等现象。因此，在量子反常霍尔效应发现之前，量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一，它是一种典型的宏观量子效应，是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现。

事实上，与量子霍尔效应相关的研究已三获诺贝尔奖：

半导体硅中的整数量子霍尔效应，1980年德国科学家冯·克利青（Klaus yon Klitzing）发现，于1985年获诺贝尔物理学奖;

半导体砷化镓中的分数量子霍尔效应，1982年美籍华裔物理学家崔琦（Daniel CheeTsui）、美国物理学家施特默（Horst L.Stormer）等发现，美国物理学家劳弗林（RobertB.Laughlin）给出理论解释，三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖;

石墨烯中的半整数量子霍尔效应，2005年英国科学家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）发现，于2010年获诺贝尔物理学奖，