量子物理学充满了令人惊奇的现象，尽管这些现象常常让人感到困惑，但实验一次又一次地证明了它们的存在。本文将介绍三个来自量子物理学领域的奇异效应：量子隧穿效应、阿哈罗诺夫-玻姆效应和量子霍尔效应。
突破经典物理的壁垒：量子隧穿效应在经典物理的世界里，一个篮球扔到墙上会反弹回来。然而，在微观世界中，如果将篮球换成电子，将墙换成量子势垒，情况就截然不同了。
量子力学告诉我们，电子有一定概率能够“穿墙而过”，这种现象被称为量子隧穿效应。之所以会出现这种现象，是因为量子具有波粒二象性，而波穿透障碍物的概率总是存在的。
量子隧穿效应可以解释许多物理和化学现象，例如化学键的形成、放射性衰变以及太阳中的核聚变。尽管量子隧穿效应已经被发现近百年，但物理学家仍在努力探索其细节，例如隧穿过程是否需要时间。
尽管如此，量子隧穿效应已经应用于许多技术领域，例如量子计算和扫描隧道显微镜。
超越经典电磁学的界限：阿哈罗诺夫-玻姆效应经典电磁学认为，粒子只有直接接触电场或磁场才会受到影响。然而，1959年，阿哈罗诺夫和玻姆提出一个思想实验，挑战了这一观点。
实验中，一束电子被分成两路，绕过一个内部存在磁场的螺线管。尽管电子并未直接穿过磁场，但它们最终会产生干涉效应，这表明它们受到了磁场的影响。
这种效应被称为阿哈罗诺夫-玻姆效应，它证明了电磁势比电磁场更 fundamental，而且对粒子的运动有着可观测的影响。2022年的一项研究甚至表明，阿哈罗诺夫-玻姆效应不仅适用于磁场，也适用于引力场。
二维世界中的奇异现象：量子霍尔效应1879年，霍尔发现，当电流通过置于垂直磁场中的金属条时，金属条两侧会产生电势差，这种现象被称为霍尔效应。在极低温和强磁场的条件下，霍尔效应在二维半导体材料中展现出量子化的特征，即霍尔电阻的变化呈现出量子化的阶梯状，这就是整数量子霍尔效应。
1980年，冯·克利青发现了这一现象，并因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。
两年后，施特莫和崔琦发现了分数量子霍尔效应，在更极端的条件下，霍尔电导以分数倍被量子化，如同电子分裂成了更小的粒子。他们与劳夫林因这项工作获得了1998年的诺贝尔物理学奖。
除此之外，还存在无需外加磁场的量子反常霍尔效应。实现量子反常霍尔效应需要材料同时满足铁磁性、绝缘性和拓扑性三个条件。
2013年，薛继坤团队首次在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中观测到了量子反常霍尔效应，并因此获得了2023年的巴克利奖。
量子物理学中还有许多令人惊奇的现象等待我们去探索。这些现象挑战着我们对世界的认知，也推动着科技的进步。
从量子隧穿效应到量子霍尔效应，这些奇特的量子现象不仅加深了我们对微观世界的理解，也为未来的技术发展提供了无限可能。
