探索宇宙奧秘 · 理性思考

物理學里有個著名的“霍爾效應”，簡單來說，就是電子在磁場中走路時會“跑偏”。這個現(xiàn)象自19世紀末被發(fā)現(xiàn)以來，不僅催生了無數(shù)傳感器，更在20世紀80年代演變成一個更神奇的版本——量子霍爾效應。在這個版本里，電子的“跑偏”不再是隨意的，而是踩著嚴格的、量子化的臺階走。這個發(fā)現(xiàn)如此重要，以至于在1985年、1998年和2016年三次斬獲諾貝爾物理學獎。

但光子，光的組成粒子，一直是個“旁觀者”。它不帶電荷，磁場對它無可奈何，自然也就沒法復現(xiàn)電子那種量子化的精準漂移。

直到現(xiàn)在。

2026年2月24日，蒙特利爾大學的研究團隊在《物理評論X》上投下了一枚重磅炸彈：他們首次在實驗上讓光也實現(xiàn)了這種量子化的“漂移”。這束光，終于學會了電子玩了百年的“作弊”走法。

要理解這個突破的難度，得先回到1980年。當時，德國物理學家馮·克利青在研究一種只有原子層厚的二維材料時發(fā)現(xiàn)，在極低溫和強磁場下，電子的霍爾電阻不再連續(xù)變化，而是出現(xiàn)了一系列的平臺，數(shù)值精確地等于基本物理常數(shù)（h/e2）除以整數(shù)。這就是整數(shù)量子霍爾效應。

為什么電子能走得這么“齊”？關鍵在于磁場。強磁場讓電子在材料內部做回旋運動，困在原地無法導電，只剩下材料邊緣的“邊緣態(tài)”可以通行。這些邊緣態(tài)就像單向車道，電子只能沿著一個方向跑，遇到障礙物（雜質）也絕不回頭，從而實現(xiàn)無損耗的傳輸。

光就完全不一樣了。光子是“電中性”的，磁場對它“視若無物”。讓光也像電子那樣，在邊緣有條不紊地單向漂移，且每一步都踩在由宇宙基本常數(shù)決定的臺階上，聽起來像是天方夜譚。

但這次，研究者們做到了。

他們設計了一套精巧的實驗裝置，用光子晶體為光搭建了一個人造的“賽道”。通過精密的調控和穩(wěn)定化，他們成功讓光在傳播過程中發(fā)生了橫向的漂移，并且這個漂移量是量子化的，就像電子在量子霍爾效應中表現(xiàn)的那樣。

這項發(fā)現(xiàn)的意義遠不止于基礎物理的突破。它的價值，可以從“一葉知秋”的角度來審視。

量子霍爾效應在電子身上最牛的應用，就是計量學。如今，全球對“千克”的定義，就依賴于一種叫“基布爾天平”的裝置，它需要精確比較電流和質量。而電流要校準得毫厘不差，就需要一個普適的電阻標準。量子霍爾效應中那些精確的電阻平臺，恰好就提供了這個標準，讓全世界不同國家的實驗室都能復現(xiàn)完全一致的電阻單位——歐姆。

那么，光版的量子霍爾效應能做什么？

首先，它有可能提供一個更優(yōu)的“光學版”計量黃金標準。光信號的測量和操控在某些方面比電子信號更有優(yōu)勢，比如頻率更高、帶寬更大。用光學系統(tǒng)來定義或傳遞標準，可能會帶來測量精度上的新飛躍。

更重要的是，它為量子信息和拓撲光子學開辟了新天地。既然光能在邊緣實現(xiàn)無損的、量子化的單向傳輸，那就可以用來構建更魯棒的光量子計算機中的信息通道。光子在傳輸中天然免疫散射和缺陷，這意味著未來基于光的量子芯片，信號損耗會大大降低。

此外，根據(jù)研究人員的說法，這種完美量子化的“偏離”本身，反而是探測微小環(huán)境變化的絕佳探針。這意味著我們可以用它來開發(fā)極端靈敏的新型傳感器。

當然，作為中國的讀者，我們更關心的是，在這場關于光和拓撲的前沿競賽中，我們處于什么位置？

答案是：我們不僅在場，而且在多個關鍵節(jié)點上，正跑在世界最前沿。

就在這項成果公布前的兩周，2026年2月11日，南京大學何程、陳延峰團隊剛剛在《科學·進展》上報告了他們在“光三維量子反常霍爾效應”中的重大突破。他們用特殊設計的磁光光子晶體，實現(xiàn)了光在三維材料中從一維棱到二維面的“跨維度”單向傳輸。這補齊了三維磁拓撲物態(tài)中手性邊界傳輸?shù)囊粔K關鍵拼圖。

再把目光投向2024年5月。中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽團隊在《科學》上報告了“光子的分數(shù)量子反常霍爾態(tài)”的首次實現(xiàn)。他們用“自底而上”的方法，在人工搭建的超導量子比特陣列上，直接構造出光子的等效磁場和非線性相互作用，模擬出了這一極難觀測的量子態(tài)。諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克評價這是“一個令人印象深刻的實驗”。

從量子模擬，到新型光子晶體，再到跨維度的手性傳輸……短短兩年間，中國科學家在“讓光聽話”這個領域，取得了一系列密集而關鍵的突破。這些成果不再是簡單的跟蹤和模仿，而是在探索全新的物理機制，并向著未來可集成、低損耗的光量子器件扎實邁進。

光，終于學會了電子的精準步伐。而在這場新的競逐中，中國科學家正在用精密的實驗和非凡的想象力，書寫著屬于自己的篇章。