在强磁场下二维电子系统呈现的量子霍尔效应是凝聚态物理学的重要研究方向，相关发现曾多次获得诺贝尔物理学奖。

　　量子反常霍尔效应是一种不需要外加磁场、基于全新物理原理的量子霍尔效应。它不但是量子霍尔态得以实际应用的关键，还是很多新奇量子现象实现的基础。在真实材料中实验发现量子反常霍尔效应一直是凝聚态物理学的重大科学目标之一，但二十多年来没有实质性实验研究进展。该项目组在实验上深入研究了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学、拓扑表面电子态性质、磁性掺杂方法，以及其电子结构、磁有序态和能带拓扑性质的精密调控手段，取得了一批具有国际领先水平的研究成果，并最终于2012 年底首次实验观测到了量子反常霍尔效应。

　　（一）量子反常霍尔效应的实验发现发展了拓扑绝缘体薄膜的能带结构和化学势调控方法；确定出薄膜中量子反常霍尔态可能存在的厚度范围；实现了同时具备铁磁性和体绝缘性的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜；在这种薄膜中首次实验观测到量子反常霍尔效应。该发现被国际上多个知名实验室重复与确认，并被霍尔丹（F. D. M. Haldane）在其2016年诺贝尔获奖演说中作为拓扑量子物质领域最重要的实验结果之一加以介绍。

　　（二）磁性掺杂拓扑绝缘体中拓扑诱导的磁量子相变的发现在磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜中首次发现了拓扑导致的磁量子相变，建立起拓扑电子态与磁耦合机制之间的关系。该发现揭示出在磁性掺杂拓扑绝缘体中实现长程铁磁序的关键因素，对量子反常霍尔效应材料的发现有重要的指导作用。

　　（三）拓扑绝缘体分子束外延生长的实现和拓扑表面态特性的证实在国际上首先建立了Bi2Te3家族拓扑绝缘体分子束外延生长动力学并制备出高质量的薄膜样品，该方法已经成为制备高质量拓扑绝缘体薄膜材料的首选方法；首次在实验上绘制出三维拓扑绝缘体电子能带结构在二维极限下的演化过程；在Bi2Te3家族拓扑绝缘体中首次实验证实了拓扑表面态的背散射缺失等独特性质。这些发现为拓扑绝缘体各种量子效应的实现和应用奠定了基础。该项目所取得的成果为拓扑磁电效应、手征拓扑超导电性等新奇量子现象的实现铺平了道路，并可以用于开发新概念的低能耗电子学和自旋电子学器件。由于这些成果，项目完成人获得了未来科学大奖物质科学奖、亚洲磁学联盟奖、何梁何利基金科学与技术成就奖、求是杰出科学家奖、陈嘉庚科学奖、教育部自然科学奖特等奖等奖项或科技奖励。