電學計量的基礎依賴于基本單位（如電阻單位歐姆）的精確和穩定的標準。幾十年來，量子霍爾效應 (QHE) 提供了最精確的歐姆實現方式，將電阻與自然基本常數聯系起來。然而，傳統的量子霍爾效應需要強磁場，這帶來了實驗上的復雜性。最近發表在《自然》的一篇論文，開發出基于量子反常霍爾效應 (QAHE) 的零磁場量子電阻標準，達到了前所未有的 10?? 精度。這一突破標志著朝著更易于訪問和集成的量子電學計量邁出了重要一步。

量子霍爾效應及其局限性

在受到強磁場和低溫影響的二維電子系統中觀察到的量子霍爾效應表現出量子化霍爾電阻，其公式為：R_H = h / (νe2)。其中 h 是普朗克常數，e 是基本電荷，ν 是一個整數或一個簡單的分數，稱為填充因子。這種量化非常精確和魯棒，使量子霍爾效應自1990年以來成為電阻的主要標準。電阻量子 h/e2 被稱為馮·克利青常數R_K，公認值約為 25812.808 歐姆。

盡管量子霍爾效應具有很高的精度，但也存在局限性。需要高磁場（通常為幾特斯拉）就必須使用體積龐大且昂貴的超導磁體。這限制了量子霍爾效應作為主要標準的普及和廣泛應用。此外，強磁場會干擾其他敏感的測量和實驗。

量子反常霍爾效應：零磁場替代方案

量子反常霍爾效應提供了一種有希望的替代方案，即使在沒有外部磁場的情況下也表現出量子化的霍爾電阻。這種效應出現在某些磁性拓撲絕緣體中，這些材料具有獨特的電子特性。這些材料具有體絕緣間隙，但具有獨特的拓撲序的導電表面態。當引入鐵磁性時（無論是內在的還是通過摻雜），表面態變成手性的，從而導致量子反常霍爾效應。

在量子反常霍爾效應中，霍爾電阻也根據與量子霍爾效應相同的公式進行量化。然而，在這種情況下，量化發生在零磁場下，使其成為電阻計量中非常理想的替代方案。

實驗結果

該研究使用了磁性拓撲絕緣體材料，特別是摻釩的(Bi,Sb)2Te3。這種材料因其能夠在相對較低的溫度下表現出量子反常霍爾效應而被選中。研究人員精心制備了材料，并對其電學性能進行了高精度測量。

團隊的測量結果顯示，當外推到零測量電流時，霍爾電阻相對于馮·克利青常數的偏離值僅為（4.4 ± 8.7）nΩ/Ω。同樣，當外推到零縱向電阻時，偏離值為（8.6 ± 6.7）nΩ/Ω。結果表明，電阻量子化的精度達到10??水平，滿足了實際計量應用的嚴格要求。(www.ws46.com)

對計量學的影響

這項研究對計量學領域的影響深遠。量子電阻標準對于確保全球電氣測量的精度和一致性至關重要。傳統上，這些標準依賴于量子霍爾效應和強磁場的應用。實現無外部磁場的高精度，使得實驗裝置更加簡化，并減少了潛在的誤差來源。

此外，量子電阻標準與其他量子電學標準（如量子電壓）的集成變得更加可行。這可能會導致一個統一且更穩健的量子電學標準系統的發展，增強各種科學和工業應用中的測量精度和可靠性。

結論

在10??水平下的無外部磁場量子電阻標準的實現標志著量子計量學領域的一大飛躍。通過利用量子反常霍爾效應和磁性拓撲絕緣體的獨特性質，研究人員設立了電氣測量精度和準確性的一個新基準。這一突破不僅加深了我們對量子現象的理解，還為計量實踐的轉變提供了希望，使量子標準更加易于獲取和可靠。