中國(guó)科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)
或?qū)⒁畔⒓夹g(shù)新革命
來(lái)源：光明日?qǐng)?bào) 2013-3-16 鄧暉 顧淑霞 王亞愚
由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜，清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所和斯坦福大學(xué)研究人員聯(lián)合組成的團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)數(shù)年攻關(guān)，首次成功實(shí)現(xiàn)“量子反常霍爾效應(yīng)”。這項(xiàng)研究成果將會(huì)推動(dòng)新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，可能加速推進(jìn)信息技術(shù)革命的進(jìn)程。該物理效應(yīng)從理論研究到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的全過(guò)程，都由我國(guó)科學(xué)家獨(dú)立完成。
作為微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的完美體現(xiàn)，量子霍爾效應(yīng)一直在凝聚態(tài)物理研究中占據(jù)著極其重要的地位。自美國(guó)科學(xué)家霍爾分別于1879年和1880年發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)之后，不少科學(xué)家憑借在此領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)斬獲大獎(jiǎng)。1980年，德國(guó)科學(xué)家馮•克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1982年，美籍華裔物理學(xué)家崔琦、美國(guó)物理學(xué)家施特默等發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，這個(gè)效應(yīng)不久由另一位美國(guó)物理學(xué)家勞弗林給出理論解釋?zhuān)斯餐窒砹?998年諾貝爾物理獎(jiǎng)。
而此次中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的量子反常霍爾效應(yīng)因?yàn)椴恍枰饧哟艌?chǎng)，成為多年來(lái)該領(lǐng)域一個(gè)非常困難的重大挑戰(zhàn)。首先，它與已知的量子霍爾效應(yīng)具有完全不同的物理本質(zhì)，是一種全新的量子效應(yīng)；其次，它的實(shí)現(xiàn)也更加困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控。因此，這項(xiàng)全新突破也被視作“有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個(gè)重要成員”。
據(jù)介紹，量子霍爾效應(yīng)的重要性在于它可能在未來(lái)電子器件中發(fā)揮特殊的作用，用于制備低能耗的高速電子器件，從而推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)步。然而，由于普通量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要用到非常強(qiáng)的磁場(chǎng)（通常需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度是地磁場(chǎng)的幾萬(wàn)倍甚至幾十萬(wàn)倍），應(yīng)用起來(lái)十分昂貴和困難；而且其體積龐大（衣柜大小）也不適合于個(gè)人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)。
而量子反常霍爾效應(yīng)的最美妙之處就在于不需要任何外加磁場(chǎng)，人類(lèi)有可能利用其無(wú)耗散的邊緣態(tài)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件，從而解決電腦發(fā)熱問(wèn)題和摩爾定律的瓶頸問(wèn)題，因此，這項(xiàng)研究成果將會(huì)推動(dòng)新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，可能加速推進(jìn)信息技術(shù)革命的進(jìn)程。
但反常霍爾效應(yīng)的量子化對(duì)材料性質(zhì)的要求非常苛刻，如同要求一個(gè)人同時(shí)具有短跑運(yùn)動(dòng)員速度、籃球運(yùn)動(dòng)員高度和體操運(yùn)動(dòng)員靈巧：材料能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦詮亩哂袑?dǎo)電的一維邊緣態(tài)；材料必須具有長(zhǎng)程鐵磁序從而存在反常霍爾效應(yīng)；材料體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而只有一維邊緣態(tài)參與導(dǎo)電。在實(shí)際材料中實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都具有相當(dāng)大的難度，而要同時(shí)滿(mǎn)足這三點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來(lái)講更是巨大挑戰(zhàn)，正因?yàn)榇耍绹?guó)、德國(guó)、日本等科學(xué)家未取得最后成功。
自2009年起，清華大學(xué)薛其坤院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)向量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)發(fā)起沖擊。四年來(lái)，團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng)和測(cè)量了1000多個(gè)樣品，利用分子束外延的方法生長(zhǎng)了高質(zhì)量的磁性摻雜拓?fù)浣^緣體薄膜，將其制備成輸運(yùn)器件并在極低溫環(huán)境下對(duì)其磁電阻和反常霍爾效應(yīng)進(jìn)行了精密測(cè)量。終于發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場(chǎng)中的反常霍爾電阻達(dá)到了量子霍爾效應(yīng)的特征值h/e2~25800歐姆——世界難題得以攻克。
“這是我們團(tuán)隊(duì)精誠(chéng)合作、聯(lián)合攻關(guān)的共同成果，是中國(guó)科學(xué)家的集體榮譽(yù)。”薛其坤院士強(qiáng)調(diào)說(shuō)。
■延伸閱讀
霍爾效應(yīng)與反常霍爾效應(yīng)
霍爾效應(yīng)是美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的一個(gè)物理效應(yīng)。在一個(gè)通有電流的導(dǎo)體中，如果施加一個(gè)垂直于電流方向的磁場(chǎng)，由于洛倫茲力的作用，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓，這個(gè)電磁輸運(yùn)現(xiàn)象就是著名的霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的橫向電壓被稱(chēng)為霍爾電壓，霍爾電壓與施加的電流之比則被稱(chēng)為霍爾電阻。由于洛倫茲力的大小與磁場(chǎng)成正比，所以霍爾電阻也與磁場(chǎng)成線性變化關(guān)系。
1880年，霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使不加外磁場(chǎng)也可以觀測(cè)到霍爾效應(yīng)，這種零磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)就是反常霍爾效應(yīng)。反常霍爾效應(yīng)與普通的霍爾效應(yīng)在本質(zhì)上完全不同，因?yàn)檫@里不存在外磁場(chǎng)對(duì)電子的洛倫茲力而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌道偏轉(zhuǎn)。反常霍爾電導(dǎo)是由于材料本身的自發(fā)磁化而產(chǎn)生的，因此是一類(lèi)新的重要物理效應(yīng)。
