霍尔效应的量子表亲可以为节能电子产品、更好的传感器和更强大的量子计算机打开大门。研究人员现在首次通过电（而不是磁）控制这种现象，打破了其实际应用的关键障碍。

霍尔效应由物理学家埃德温·赫伯特·霍尔 (Edwin Herbert Hall)于 1879 年发现，描述了一种现象，即向导体施加垂直磁场会产生横向穿过材料的电压。该效应具有广泛的应用，包括传感和航天器推进。

1980 年，研究人员发现了霍尔效应的量子版本，这种效应在某些材料中在极低的温度下会发生。当施加强磁场时，样品的内部变成绝缘体，但电流继续在其边缘流动。至关重要的是，当这种情况发生时，沿材料长度的电阻会降至零，电子在不损失任何能量的情况下绕边缘传播，从而实现类似于超导体的效果。

“我们一再看到，如果学术发展带来了工业界想要的材料，那么凭借生产实力和大型工业参与者的支持，他们就会找到生产这种材料的方法。”—查尔斯·古尔德，维尔茨堡大学，德国

找到利用这些无耗散“手性边缘电流”的方法，可能会在量子计量学、自旋电子学和拓扑量子计算中产生广泛的应用。这一想法得到了推动，因为发现磁性材料薄膜无需强大的外部磁场即可表现出类似的行为，这就是所谓的量子反常霍尔效应（QAH），这使得构建利用这种现象的电子设备变得更加容易。更实用。

一个障碍是，切换这些边缘电流的方向（许多信息处理任务中的关键步骤）只能通过在材料上传递外部磁场来完成。现在，宾夕法尼亚州立大学的研究人员首次证明，他们可以通过简单地施加电流脉冲来改变方向。

领导这项研究的物理学副教授Cui-Zu Chang在一封电子邮件中告诉IEEE Spectrum：“基于 QAH 效应的电子设备有可能克服摩尔定律的限制，并减少紧凑型设备中的热量产生。”

“在 QAH 材料中实现对边缘电流手性 [方向] 的瞬时电控制，而不需要扫描外部磁场，对于基于 QAH 的计算和信息技术的进步是必不可少的，”他说。

2013 年， Chang 作为博士第一个通过实验证明了QAH 效应。中国清华大学的学生。他通过采用被称为拓扑绝缘体的材料薄膜来做到这一点，其中内部充当绝缘体，而表面充当导体，并在材料中掺杂磁性粒子以创建 QAH 绝缘体。

Chang 说，电流在 QAH 绝缘体边缘流动的方向由其内部磁性决定。他补充说，在材料上传递外部磁场可以改变磁化方向，从而改变电子的行进方向，但这是一种麻烦的方法。

其他研究人员已经证明，只需施加电流就可以改变类似材料的磁化强度，但在 QAH 中这样做需要非常高的电流密度。Chang 及其同事通过将一层未掺杂的拓扑绝缘体夹在两个磁性掺杂层之间，然后使用电子束光刻将其蚀刻成宽度小于 10 微米的矩形结构来实现这一目标。

发表在《自然材料》上的一篇论文中，研究人员表明，向器件施加 5 毫秒的电流脉冲足以切换边缘电流。Chang 表示，控制电流的能力是大多数信息处理任务的关键因素，因此实现近乎瞬时的电气开关可以使 QAH 绝缘体的实际应用更加可行。

“基于 QAH 效应的电子设备有可能克服摩尔定律的限制，并减少紧凑型设备中的热量产生。”——CUI-ZU CHANG，宾夕法尼亚州立大学

德国国家计量研究所联邦物理技术研究所电量子计量部门负责人Hansj?rg Scherer表示，这一突破可能有助于利用量子效应进行电阻的超精确测量。他说，目前，准备测量设备需要将其置于强至 1 特斯拉的磁场中，而如果能够通过电力来实现这一点，将会大大简化事情。

德国维尔茨堡大学实验物理学教授查尔斯·古尔德 (Charles Gould)认为，电量子计量很可能是 QAH 效应的第一个实际应用。但能够使用电流而不是磁场来控制它可以开辟信息技术中的其他应用，例如自旋电子学和高频电路。他在给Spectrum 的电子邮件中写道：“如果我的芯片上有一百万个或任何大量设备，并且我想修改其中一些设备，那么应用局部磁场来单独寻址它们几乎是不可能的，”而有选择地应用电流或电场在技术上是很常见的。”

Gould 表示，迄今为止最大的限制是当今的 QAH 绝缘体只能在低于 50 毫开尔文的温度下运行。他补充说，制造方法也不太适合工业生产，并且只有少数实验室掌握，尽管这不太可能成为根本障碍。

古尔德说：“我们一再看到，如果学术发展带来了工业界想要的材料，那么凭借生产能力和大型工业参与者的支持，他们就会找到生产这种材料的方法。”