霍尔效应的发现
1875年霍尔毕业于美国鲍登学院，从事教学2年后，去了霍普斯金大学研究生院，随罗兰教授学习物理学，在阅读麦克斯韦《电和磁》一书时，对麦克斯韦“在磁场中的通电导体受到的机械力不是作用于电流上的，而是作用在导体上的”观点提出了质疑。他的理由有3点：一是只有通电的导体才有作用力，而不通电的导体是没有的；二是作用力的大小与电流大小成正比，作用力的方向与电流流向有关系；三是作用力的大小与导体的尺寸和材料无关。他感到“磁场对通电导体的机械力是作用在电流上的”。于是他请教了自己的导师罗兰教授，罗兰说他也曾怀疑过麦克斯韦论断的真实性，以前也为此仓促地做了一下实验，但没有成功。
1879年10月，在罗兰教授鼓励下，霍尔开始了他的探索和实验。一开始，霍尔认为导体中的电流在受到作用力后，会偏向导体的一侧，导体的电阻会有所增加，根据这一想法，霍尔用惠斯通电桥测量银丝电阻变化的实验，尽管电磁铁产生的磁场比地磁场强近 2000倍，银丝电阻增加量也只有百万分之一，这个变化太小了，霍尔认为如果是电流偏向导体一侧的话，变化不会这么小，但电阻又毕竟有所增加,难道前面的假设不成立吗？霍尔感到很困惑。忽然有一天，霍尔想到可能是电磁铁通电后散发的热量使银丝温度升高造成的，在排除各种热效应干扰后，霍尔反复做了几十次实验，实验结果银丝电阻值的变化只有五百万分之一，否定了前面的假设。然而失败并没有使霍尔放弃研究，经过认真思考，改革思路，由于当时金属经典电子理论还没有建立，他把导体里的电流类比管子里的水流，水流虽然受到某些东西的侧向作用力，虽有侧向运动趋势并没有侧向移动，但会对管壁有压力，若在管子直径方向开上小孔、装上细管，连通小孔的细管里也会有水流。同样电流在磁场作用下，有侧向运动趋势，但并没有真正运动，若在导体两侧对应点上连接细导线，在侧向电压作用下，细导线里会有电流。于是霍尔在这样的思路下设计了实验装置，他用安装在玻璃板上的金箔窄条作导体，磁铁的磁场垂直于金箔面，金箔窄条两侧对应点接上检流计，检流计放得较远，避免磁场对检流计的影响，如图1所示。
霍尔在1879年11月进行了操作，表1是在他毕业论文中观察记录了流过检流计的电流随流过金箔中电流和磁场的改变而改变的数据。
从表1中看到，虽然流过检流计的电流很微弱，由于霍尔自己制作的检流计十分灵敏，测量到的电流还是有3位有效数字，实验成功地证实了霍尔的想法，而且非常可贵的是，霍尔从前3项看似毫无规律的数据中敏锐地发现了更为有意义的规律，这就是最后一项，这一项的数值几乎是一个常数，其最小值与最大值相差仅8%左右，我们知道，若把流过检流计的电流I g与检流计的电阻R g相乘，就是金箔条两侧对应点 a,b的电压，由此可得到“导体两侧对应点之间的电压与通过导体的电流和磁感应强度的乘积成正比”的结论，这就是我们所说的“霍尔效应”，霍尔把这一发现作为自己毕业论文的研究成果，1880年霍尔获得了博士学位
。
霍尔效应的发现受到了人们的重视，被开尔文称赞为可以与法拉第电磁感应这一伟大发现相媲美，同时也激发了人们在这一领域的研究兴趣，霍尔效应的3个副效应，即埃廷豪森效应、能斯特效应和里记-勒杜克效应，均是在1987 年发现的。而霍尔效应的理论解释还是在1895年洛伦兹建立经典电子论后，霍尔效应才广泛应用，是在被发现后大约70年的半导体技术兴起之后才开始的。
量子反常霍尔效应的发现
1879年，美国物理学家埃德温·霍尔在实验中发现：一个通有电流的导体，若对它施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子运动的轨迹将产生偏转，而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压。这个电磁输运现象称为“霍尔效应”。后来霍尔又发现：不加外磁场亦可观察到霍尔效应。这种零磁场中的霍尔效应称为“反常霍尔效应”。 在凝聚态物理研究中，量子霍尔效应的研究一直为科学家们高度关注，此前在这方面的研究已三获诺贝尔物理学奖。1980年整数量子霍尔效应被发现，获1985年诺贝尔物理学奖；1982年分数量子霍尔效应被发现，获1998年诺贝尔物理学奖；2005年石墨烯中半整数量子霍尔效应被发现，获2010年诺贝尔物理学奖。 此外，2007年又发现量子化自旋霍尔效应，获2012年欧洲物理学奖和2012陶行知儿童科学教育思想年美国物理学家巴克利奖。量子反常霍尔效应是在该领域的又一个重大进展
。
自1988年开始，就不断有理论物理学家提出各种方案，然而在实验上没有取得任何进展。2006年, 美国斯坦福大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向。2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等有多个世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应，但一直没有取得突破。 由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理所联合组成的团队经过近4年的研究，生长测量了1000多个样品。最终，他们利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。从实验中首次观测到量子反常霍尔效应，是中国科学家从实验中独立观测到的一个重要物理现象，也是物理学领域基础研究的一项重要科学发现
。 量子反常霍尔效应使得在零磁场的条件下应用量子霍尔效应成为可能；这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊的作用，可用于制备低能耗的高速电子器件。
实验结果公布后，薛其坤曾应邀去日本作学术报告。作为在世界上和中国科学家研究水平最相近的“老对手”，日本科学家给他发来了邮件，称赞“这是我在过去十年里听到的最好的学术报告，我们真没有想到你们最终发现了这一美妙现象”，“这非常非常令人激动”。 另一位美国知名物理学家也向课题组发来邮件：“看到你们的结果，我真感觉有些嫉妒。但回过头想起来，这个工作巨大的难度也确实让我们叹为止。”。 美国《科学》杂志的匿名评审则给出了这样的评价：“这篇文章结束了对量子反常霍尔效应多年的探寻，这是一项里程碑式的工作。我祝贺文章作者们在拓扑绝缘体研究中作出的重大突破。”。 诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授评价其为“诺贝尔奖级的发现”。菲列兹·伦敦奖评奖委员会宣布，2020年度菲列兹·伦敦奖将授予中国科学院院士、清华大学副校长、北京量子信息科学研究院院长薛其坤，美国阿贡国家实验室的Vinokur博士和德国马普学会固体化学物理研究所的Steglich教授。按照评奖委员会的通知，薛其坤是因为在实验上发现量子反常霍尔效应而斩获这一崇高荣誉的。薛其坤是自1957年该奖设立以来，首个获得这一荣誉的中国科学家，第二个来自亚洲地区的科学家
。
参考资料：
1.倪忠楚.霍尔效应的发现及其意义[J]. 科技创新导报，2017，14（02）：85-87.
2.梁晓燕著,陶行知儿童科学教育思想,内蒙古大学出版社,2014.12,第191页
3.梁晓燕著,陶行知儿童科学教育思想,内蒙古大学出版社,2014.12,第192页
4.薛其坤院士荣获2020年度菲列兹·伦敦奖 ．科学网．2020-02-22[2022-04-11]
霍尔效应的应用
霍尔效应在应用技术中特别重要。根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。
迄今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。
例如汽车点火系统，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元（ECU）的初级电流。相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火正时，能够较大幅度提高发动机的性能，具有明显的优势。
用作汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。
霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。如今的霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下40摄氏度到零上150摄氏度范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。
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