中国最近几十年来的经济发展十分迅猛，现在已经是世界第二，美国是世界第一，中国要想成为世界第一，就必然有一场中美大PK。

相对应，中国的科技发展也是十分迅猛，但是美国仍然是世界第一，中国要想成为世界科技第一，就必然有一场中美大PK。

现在就有一场科学最前沿的中美大PK正在进行当中：同样是拓扑绝缘体方面，中国做反常量子霍尔效应，美国做超导效应。下面给与解说和评述。

先科普：1. 什么是拓扑绝缘体？

拓扑绝缘体是一种具有新奇量子特性的物质状态，为近几年来物理学的重要科学前沿之一。拓扑绝缘体是一种新的宏观量子物态。

最简单地说：拓扑绝缘体材料的内部是不导电的，表面是导电的。关键在于表面的导电怎样导法，是典型的金属型导电，还是超导导电？　　　　　

传统上固体材料可以按照其导电性质分为绝缘体和导体（半导体也是绝缘体），其中绝缘体材料在其费米能处存在着有限大小的能隙，因而没有自由载流子；金属材料在费米能级处存在着有限的电子态密度，进而拥有自由载流子。而拓扑绝缘体是一类非常特殊的绝缘体，从理论上分析，这类材料的体内的能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而在该类材料的表面则总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致其表面总是金属性的，可以导电。拓扑绝缘体这一特殊的电子结构，是由其能带结构的特殊拓扑性质所决定的。　

  拓扑绝缘体材料的表面和边界是能带结构表现为存在“狄拉克锥”，即能带有上下锥形相连的结构，处于锥边缘态的电子自旋会呈现涡旋排列，形成所谓自旋流并在磁场下表现出自旋霍尔效应。这也接近于普通的导电机理，但是也可以是超导体。　

拓扑绝缘体是这几年凝聚态物理学兴起的热点领域，其中涉及许多重要的物理现象和物理机制，同时意味着广阔的应用前景。比如通过研究拓扑绝缘体中电子自旋的运动方式，我们就可以设法控制和识别电子的自旋。目前半导体器件仅仅是利用了电子的电荷性质，而且越来越小的电路元件使得电子的量子效应越明显，摩尔定律似乎已经走到了尽头。要想获得更多的信息处理容量，利用电子的另一个性质——自旋是一个非常明智的选择。

2. 什么是霍尔效应？

霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔于1880年发现反常霍尔效应，就是不需要外加磁场。

1980年，德国科学家冯·克利青（Klaus von Klitzing）发现整数量子霍尔效应，于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年，美国科学家崔琦（Daniel CheeTsui）和施特默（Horst L. Stormer）发现分数量子霍尔效应，不久由美国物理学家劳弗林（Rober B. Laughlin）给出理论解释，三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。

在量子霍尔效应家族里，至此仍未被发现的效应是“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应。

这里请大家记住：这个‘量子反常霍尔效应’是已经清楚知道存在的，没有原理上的任何问题，就差实验观测证实了。

3. 什么是超导效应？　

就是说，普通的导体在一定温度下，电阻突然消失的现象。　　　　　　　

1911年，荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林—昂内斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。

最近几年，日本人报道了新的铁基超导体，中国注入大批科研资金，跟风开展铁基超导研究。

超导方面有重大意义的原创工作还有两件：一是室温超导体，这样才能真正进入实用，二是，超导的基本原理，这个方面至今远远没有解决。尽管给了好几次诺贝尔奖，但是那些理论成果都是盲人摸象，没有解决其真正问题。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

因为，拓扑绝缘体的表面导电性，可否有超导特性，应该有，但是不确定。如果证实有，那就是比较牛 ！这才是重大原创！　　　　　　　

下面开始解说这个中美大PK。

中方：拓扑绝缘体方面的反常量子霍尔效应。

参与单位：清华大学和中科院北京物理所。领衔主演：薛其坤

中国团队经过数年不懈探索和艰苦攻关，最近成功实现了“量子反常霍尔效应”。这是国际上该领域的一项重要科学突破，该物理效应从理论研究到实验观测的全过程，都是由我国科学家独立完成。

该结果于2013年3月14日在Science上在线发表

杨振宁4月10日称赞其是诺贝尔奖级的成绩。

请注意：这是一项重要科学突破，地地道道的中国的本土工作。但是没有任何悬念！　

美方：拓扑绝缘体方面的超导效应。　

参加单位：美国伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）与布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）。

美国团队已经测量了拓扑绝缘体块体材料的超导表面状态，因为此处电荷载体已被成功地耗尽。此项研究论文发表在4月9日的《自然通讯》（Nature Communications）杂志。

——Sungjae Cho, Brian Dellabetta, Alina Yang, John Schneeloch, Zhijun Xu, Tonica Valla, Genda Gu, Matthew J. Gilbert, Nadya Mason. Symmetry protected Josephson supercurrents in three-dimensional topological insulators. Nature Communications, Volume: 4, Article number: 1689. DOI: 10.1038/ncomms2701. Published 09 April 2013.

请注意：这项结果有悬念，如果后来能被证实是正确的，将来很有希望实现室温超导，那时候这件工作一定会得到诺贝尔奖。算不上是地地道道的美国的本土工作，作者中有中国人。　

博主简单评述：

1.  这次中国团队的工作，我觉得跟诺奖完全无关。

2. 美国团队的工作需要别的团队证实是正确的，如果证实错误，那就是乌龙一个；如果证实争正确了，并且将来实现了更高温度的超导，接近或者达到室温，那么这份工作肯定要授给诺奖。因此还需要继续前进。

3. 拓扑绝缘体现在这么热，股票市场的科技股都因为这个概念大涨。这个领域的开创者有好几位，相信将来一定会给诺奖，比较有希望的是其中一位华人，张首晟，以前我的博文里面多次提到过的：

由张首晟获2012年狄拉克奖叹落后的中国的科学研究前沿

庄小威 PK 张首晟，饶毅 PK 施一公，北大 PK 清华

一篇 2012 诺贝尔物理奖预测

一些诺贝尔奖级别的成果和工作

4. 科学最前沿的研究，拼的纯粹是智商，无关乎情商。尽管，我也殷切希望中国尽快能有重大原创性工作出出来。　　　　　　　

参考文献：

“量子反常霍尔效应”研究获突破

http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/201331513142223128244.shtm

杨振宁盛赞中国科学家实验发现量子反常霍尔效应

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/4/276620.shtm

薛其坤院士解释量子反常霍尔效应

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/4/276680.shtm

【微博】清华可能要摊上大事了

http://blog.sciencenet.cn/blog-40615-678947.html

拓扑绝缘体的超导特质证明

tp://blog.sciencenet.cn/blog-212210-679197.html