生物物理所 张锦珠 

　　2013年的4月10日，清华大学召开新闻发布会宣布，由薛其坤院士领衔的，来自清华大学、中国科学院物理所与斯坦福大学的科学家们组成的团队，他们从实验中观测到了量子反常霍尔效应。他们的论文3月15日发表在国际权威学术杂志《科学》上，年过九旬的诺贝尔奖获得者杨振宁教授称：“这是从中国的实验室里头，第一次做出并发表诺贝尔奖级的物理学论文”。 

　　有人解释说：“反常霍尔效应是固体中由电子自身的自旋和轨道运动耦合导致的一个输运过程。而在量子反常霍尔绝缘体中，自发磁矩和自旋轨道耦合结合产生了拓扑非平凡电子结构，引起在无外加磁场条件下的量子霍尔效应。因为只有一个自旋通道参与电子导电，使其无损耗的导电比量子自旋霍尔体系更不容易被干扰，这将更有利于应用在低损耗电子和自旋电子学器件。这个发现意味着可减少半导体发热和能量损耗，超级计算机也有望做成现在的iPad那么大，未来电脑也可能不再需要散热器。 

　　*相关知识 

　　什么是霍尔效应 1879年美国物理学家霍尔发现：在一个长方形的导体上发现的，当电流在长度方向流动的时候，如果在导体垂直方向发现一个磁场，就会在宽度方向产生一个新的电流和电压，这个就是霍尔效应。量子霍尔效应是1980年德国人可利清从金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET ）中发现的，他把MOSFET晶体管放进强磁场中，在极低的温度条件下，霍尔电阻随删压的变化出现了一系列的平台，其相应的霍尔电阻为： RH=h/ne2 n为普朗克常数， e为电子的电荷。这是固体量子效应。可利清因此获得1985年的诺贝尔物理学奖。 

　　我国生物物理学的奠基人贝时璋院士曾经多次提到：生物体是散射介质，要研究散射电子和散射光子是怎样产生的。贝老说：1997年法国的一个实验室（指EMBL在法国Granoble的实验室）得到一个很重要的结果，光辐射不带电，与带电粒子一样，也能形成霍尔效应。我们机体一样能产生散射，虽不是高磁场，但有高磁场的作用。他们的实验对我们机体产生散射作用有启发。这是一个新陈代谢问题。后我查看了其它有关光子的Hall效应的文献，还没见生物方面的报道。我国物理学家在量子反常霍尔效应的研究上取得的突破，感到贝老这些话的份量和价值。 

　　生物结构是凝聚的物质，与物理上的凝聚的物质不同，生物结构是活的，生物结构的作用像激光物质。生物结构如同非线性晶体一样，使通过它们的某些光成为压缩光。生物大分子是由碳、氢、氧、氮原子组成的，是由它们形成的复杂结构. DNA 分子的双螺旋长链结构及DNA分子与蛋白质分子所形成的复合体的高度螺旋结构和蛋白质的三维空间结构，这样的结构有可能为某些效应（包括各种霍尔效应）提供了可能。而它们又是生物活动的调节者。 

影响这些效应的还有活生物体内的场。1968年Frohlich (Int. J. Quant.Chem , 2: 641)提出：由于细胞膜的偶极性和由于生物大分子中某些键 (例如氢键) 的反复出现，可能还由于非定域电子的存在，生物系统可能具有一群纵向电振蘯子，它们的频率在1011 到1012sec-1。假如能量供给超出了一定的平均速率，它们将达到一个准稳态，每个振蘯子都极强地受到激发，所供给的能量不完全转变为热而以高度有序的方式储存，表现为长距离的相位相关性 (long-range phase correlation)，即生物体的相干性(Coherence)。Frohlich提出的能量供给方式在生物体中是可以实现的，这说明活生物体可期望具有相干的微波场。 

　　自从生物的微弱发光现象在上世纪二十到三十年代被前苏联科学家Gurwitsch发现以来，各国学者利用不同的生物材料已广泛证实了活生物体能发出弱光子，其波长从200到800nm甚至到红外波段，强度从几个到几百个光子秒-1 cm-2 ，被定义为生物光子。目前生物生物光子发射现象已被公认，但对于它的解释却有两种截然不同的观点。一派学者认为它是由激发态回到热平衡态时发出的光子，一些具高反应活性物质，如自由基，氧化剂是光子的来源。另一派学者，德国的 Popp（国际生物物理研究所）在上世纪70年代初开始，对生物体的弱光进行了系统的研究，提出生物体内的弱光子起源于体内的非定域的相干电磁场，即生物体发出的弱光子是由体内相干的电磁场调节的, 同时生物体内的光子场也是生物通讯和生物功能的调节者。