德國維爾茨堡大學(xué)（JMU）物理學(xué)家凱杰坦·菲亞爾科夫斯基領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，在拓?fù)浣^緣體材料中首次實現(xiàn)無需外加磁場的量子霍爾效應(yīng)（EHQA），并驗證其在4.2開爾文溫度下可承受顯著更高的測量電流，標(biāo)志著該技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。這一成果發(fā)表于《自然》期刊，解決了長期制約該技術(shù)落地的核心難題——高溫與大電流下的穩(wěn)定性問題，為下一代高精度電學(xué)計量標(biāo)準(zhǔn)提供了可能。

研究聚焦于一種稱為“磁性拓?fù)浣^緣體”的特殊材料，其在無外部磁場條件下仍能表現(xiàn)出的量子化電阻值，即h/e2（h為普朗克常數(shù)，e為基本電荷）。這一特性使它成為構(gòu)建統(tǒng)一電學(xué)基準(zhǔn)的理想候選，尤其適用于需要同時校準(zhǔn)電壓和電阻的精密系統(tǒng)。傳統(tǒng)量子霍爾效應(yīng)需強(qiáng)磁場（約10萬倍地磁場強(qiáng)度）和極低溫（低于100毫開爾文），依賴昂貴的稀釋制冷機(jī)；而此次實驗在4.2開爾文（液氦溫度）即可穩(wěn)定運(yùn)行，大幅降低設(shè)備復(fù)雜度與成本，具備更強(qiáng)工程可行性。

研究團(tuán)隊開發(fā)了一種名為“電化學(xué)勢平衡”的電路補(bǔ)償方法，有效抑制了測量過程中因電流流動產(chǎn)生的橫向電場。當(dāng)電流通過樣品邊緣時，通常會引發(fā)內(nèi)部電子隧穿，破壞量子化輸運(yùn)狀態(tài)，導(dǎo)致電阻值偏離理論值。通過引入簡單反饋電路，研究人員成功抵消了邊緣間的電勢差，使電阻保持在的h/e2水平，即使在遠(yuǎn)高于以往預(yù)期的電流下依然穩(wěn)定。這一技術(shù)突破不僅提升了測量動態(tài)范圍，還證實了拓?fù)潆娮討B(tài)在相對較高溫度下的魯棒性。

盡管取得進(jìn)展，當(dāng)前仍存在關(guān)鍵障礙：在4.2開爾文條件下，材料內(nèi)部出現(xiàn)額外導(dǎo)電通道，干擾主量子輸運(yùn)路徑，導(dǎo)致無法直接以足夠精度測量h/e2。研究者指出，微小溫升即會激發(fā)非拓?fù)鋵?dǎo)電通路，影響測量準(zhǔn)確性。因此，下一步重點將轉(zhuǎn)向新材料體系篩選，目標(biāo)是開發(fā)能在更高溫度下維持純拓?fù)漭斶\(yùn)特性的材料結(jié)構(gòu)，例如通過調(diào)控晶格缺陷、界面工程或異質(zhì)結(jié)設(shè)計來抑制非期望導(dǎo)電路徑。

拓?fù)浣^緣體在精密測量中的核心優(yōu)勢

拓?fù)浣^緣體因其表面態(tài)受拓?fù)浔Ｗo(hù)，對外部擾動具有天然抗干擾能力，使其在極端條件下的電子輸運(yùn)行為高度穩(wěn)定。這種特性使得基于其的量子霍爾效應(yīng)具備極高的可重復(fù)性和一致性，是未來國際單位制（SI）中“歐姆”定義的潛在基礎(chǔ)。目前，國際上已采用普朗克常數(shù)重新定義千克，而電阻單位的復(fù)現(xiàn)正依賴于量子霍爾效應(yīng)。若能實現(xiàn)無磁場條件下的穩(wěn)定量子霍爾效應(yīng)，將極大簡化實驗室計量裝置架構(gòu)，減少對強(qiáng)磁體和超低溫系統(tǒng)的依賴。

對于中國從事高精度傳感器、微電子測試設(shè)備、半導(dǎo)體參數(shù)分析儀及科研級儀器制造的企業(yè)而言，該技術(shù)意味著未來可開發(fā)更小型化、低功耗、免磁屏蔽的電阻校準(zhǔn)源。尤其在航空航天、量子計算、高端芯片研發(fā)等對電學(xué)測量精度要求極高的領(lǐng)域，此類器件有望替代現(xiàn)有基于強(qiáng)磁場的系統(tǒng)，提升系統(tǒng)集成度與環(huán)境適應(yīng)性。此外，該技術(shù)若實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將推動國產(chǎn)高精度計量設(shè)備向國際前沿靠攏。

對中國產(chǎn)業(yè)鏈的采購與研發(fā)啟示

從供應(yīng)鏈角度看，該技術(shù)依賴高質(zhì)量單晶薄膜材料（如錳摻雜碲化鉍類化合物）與超高真空沉積工藝，目前國內(nèi)尚無成熟量產(chǎn)能力。相關(guān)材料主要由德國、日本、美國少數(shù)科研機(jī)構(gòu)或企業(yè)供應(yīng)，價格高昂且交付周期長。建議國內(nèi)有實力的材料廠商關(guān)注該方向，開展磁性拓?fù)浣^緣體的外延生長與缺陷控制研究，提前布局下一代計量材料市場。

在設(shè)備選型方面，若計劃參與國家計量院或重點實驗室的高精度測量項目，應(yīng)優(yōu)先考察具備拓?fù)漭斶\(yùn)檢測能力的測試平臺。雖然目前尚未進(jìn)入商用階段，但已有部分高校和研究機(jī)構(gòu)開始搭建基于該原理的原型系統(tǒng)。中國企業(yè)在參與國際合作項目時，可主動對接歐洲科研團(tuán)隊，獲取早期技術(shù)資料與測試機(jī)會，積累經(jīng)驗并探索本土化轉(zhuǎn)化路徑。同時，需關(guān)注歐盟“TOCHA”與“”等資助項目的技術(shù)輸出動態(tài)，把握潛在合作窗口。