文|《中国科学报》记者 孟凌霄

2023年夏天，南京大学物理学院学生李庆鑫正值硕转博第一年（研三），便已经完成了两篇不错的论文，达到了博士毕业要求。

李庆鑫的导师、南京大学物理学院教授王雷把他叫到办公室，没有讨论论文，而是提了一个问题：“后面还有3年，要不要尝试一个非常新的研究方向？”紧接着，王雷把风险也摆在了桌面上——“有可能最终什么都做不出来。”

李庆鑫几乎没有犹豫，当场答应。

直到今天，王雷仍觉得，这是一次难得的“双向奔赴”：“通常我不会这么做。作为基础物理领域的科研工作者，我能够坐十几年‘冷板凳’，但毕业对学生是现实大事。当学生没有后顾之忧，我很开心能和他们一起探索真正未知的方向。”

3年后，这场冒险最终结出硕果，相关成果日前发表于《自然》。王雷研究团队首次在“穿越维度”区间内发现了一种全新的强关联物态，并命名为“变维反常霍尔效应”。

这项研究刷新了100多年来人们对霍尔效应的传统认识。传统的霍尔效应中，无论是正常的还是反常的，量子化是整数的还是分数的，磁化方向、电流方向和霍尔电场方向都是彼此垂直的正交关系，而“变维反常霍尔效应”打破了这个铁律，在平行和垂直磁场下都出现显著的霍尔电阻磁滞回线。

▲王雷（左七）团队在南大鼓楼校区北大楼前，左三为李庆鑫。

一个“反直觉”的实验结果

2024年春节后，南京大学物理学院的一间实验室内，博士生李庆鑫盯着电脑屏幕上低温强磁场测量的数据，隐约觉得有些“不太对”。

按照教科书，反常霍尔效应有一个不可动摇的“正交关系”：磁化方向、电流方向和霍尔电场方向彼此垂直。这一经典输运现象与普通霍尔效应的核心区别在于，它无需外加磁场即可产生霍尔电压，其本质是体系内部自发打破了时间反演对称性。长期以来，这一正交关系被视为反常霍尔效应的基本铁律。

然而，眼前的数据分明显示。霍尔电阻不仅在垂直磁场下出现磁滞回线，在平行磁场下同样呈现出了显著的磁滞特征。这违背了已知的物理定律。

李庆鑫把数据拿给导师王雷。王雷盯着那组数据，反复仔细比对后意识到，这或许不是实验误差，而可能是一个全新的物理效应，指向某个从未被定义过的维度区间。

为验证这一设想，团队选取了2至5纳米厚的菱方堆垛石墨作为研究平台。这种材料具有近乎平坦的低能带和很高的态密度，在外加位移场下可进一步调控电子相互作用，是探索强关联物理的理想体系。

接下来是真正的惊喜。研究团队经过反复验证，确认那种“不该出现”的磁滞信号确实是材料本身的内禀性质，而非实验假象。他们把这个新发现命名为“变维反常霍尔效应”——这是第一次在被称为“穿越维度”的物理区间里，看到这种现象。

从二维到三维，物理学家曾以为反常霍尔效应的理论图景已趋于完备。但这项研究表明，在这两个极限之间，还藏着一个被长期忽视的世界。这项研究也为多层石墨烯以及更广泛范德华量子材料中的强关联轨道物理研究开辟了新的方向。

美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校教授安德烈亚·杨评价说：“这是一种不同于传统物态的全新物态，可以被视为‘四分之一金属’，具有这样独特的磁性性质，在于3种不同方式的对称性破缺。”

▲王雷（左四）和本科生在实验室。

“100%把握每个实验细节”

这项研究看似是“运气好”的偶然发现，但在王雷看来，这一发现背后的原因是“100%把握每个实验细节，将器件做到高质量的极致”。

王雷常对学生说，想测量到别人测不到的物理现象，需要作出全世界最高质量的器件。在石墨烯这类样品的制备中，往往包含几十道甚至更多的工序。每道工序的成功率即使高达90%，若工序繁多，最终整体成功率也会大幅下降。因此，从样品制备到输运测量，每一个环节都必须严格把控，做到高质量的极致。

“我在读博阶段，就是以追求石墨烯电子器件的‘高质量极限’为目标。”王雷说。冲着这个目标，他发明了二维材料的“pick-up”转移堆叠技术，这项技术不仅创造了当时石墨烯器件质量的世界纪录，还在随后十几年催生了二维范德华异质结、二维莫尔电子学等新兴科研领域。

“我的学生跟我读完博士之后，我希望他们能更注重细节，尤其在实验层面要考虑得更细致，不放过任何一个微小的环节。”王雷说，“样品必须达到高质量的极限，这样我们才有自信断定测出来的信号反映‘本征的物理性质’，而非来自其他干扰因素。”

这种对细节的极致追求，贯穿了这项研究的始终。

2023年下半年，王雷和李庆鑫正式开启这项全新的探索。2024年春节后，团队第一次看到了那个“不太对”的现象。之所以到今年论文才发表，是因为王雷没有急于下结论——他要求团队反复验证，用多种实验手段交叉确认。从最初的异常信号，到真正确信这是一个物理效应，他们花了将近一年时间。

2024年底，团队才确信这个现象站得住脚。随后他们邀请上海科技大学刘健鹏课题组开展理论计算。2025年初投稿时，理论工作只完成了约80%。审稿过程中，审稿人针对理论解释提出了不少尖锐问题，团队又花了一整年时间补充实验、完善论证，直到2026年上半年，整个理论框架终于趋于完善。

从第一次看到异常数据，到论文最终发表，历时近3年。王雷课题组的每一步都在践行那个朴素的准则：把每一个细节做到极致。

不追热点，只做原创

在王雷看来，这项工作的诞生并非偶然，而是源于实验室一直坚持的科研理念：不追热点，只做原创。

王雷曾先后在美国哥伦比亚大学、康奈尔大学开展研究，博士阶段便发表多篇顶级论文。以他的经历，在美国获得一份理想教职并非难事。但最终，他还是选择回国，因为在他看来，时代正在改变，国内有着更适宜原始创新的学术土壤。

“回国的决定是一种踩在时代节点上的直觉。”他说，“从十几岁出国读书，我在国外辗转了20多年，方方面面的经验都积累得差不多了，我感觉已经到了回家的时刻。”

2016年至2018年间，他几乎每年回国四五次，其间走访了多所高校，最终选择入职南京大学。吸引他的，不只是南京大学物理学科深厚的积淀，还有一种可以安心坐“冷板凳”、从事基础物理研究的学术氛围。南京这座城市的生活气息，也让他感到久违的契合。

▲王雷（中）和本科生在南大鼓楼校区。

2018年刚建立实验室时，他就给自己定下目标：要建一个世界一流的研究量子材料电输运的实验室。这不仅意味着搭建顶尖的实验设备，更意味着研究方向必须真正原创。彼时，魔角石墨烯成为国际凝聚态物理最炙手可热的研究方向，大量团队蜂拥而入，但王雷选择了避开。他带领团队转向那时还鲜有人涉足的转角半导体体系，并于2021年率先取得突破。

“别人已经做过的研究，我们再做一样的，没有意义。”

在他看来，追热点看似安全，实际上竞争最激烈。“你是在和别人比谁做得更快，而不是比谁提出了一个真正新的科学问题。没有创新点，再辛苦也很难做出真正有价值的成果。”

成为导师后，王雷发现学生常会走入一个误区——倾向于选择别人已做过、有现成理论框架的方向。因为这些方向往往能看懂、好上手，学生更容易停留在“舒适区”，甚至有的学生会产生“发一篇普通的文章就毕业算了”的想法。

当学生提出跟着热点做研究时，他往往会耐心劝回去。他告诉学生：“真正风险小的从来不是热点，而是原创，因为只有原创才是别人替代不了的。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10471-1