量子反常霍爾效應(yīng) 被我科學(xué)家發(fā)現(xiàn)
前兩位霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)者均已獲諾貝爾獎
來源：北京青年報(bào) 2013-3-16 雷嘉 馬之恒
來自清華大學(xué)、中科院物理所的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次實(shí)驗(yàn)觀測到了“量子反常霍爾效應(yīng)”。這一成果昨天在美國《科學(xué)》雜志發(fā)表。這一發(fā)現(xiàn)可被用于發(fā)展新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件，進(jìn)而推動信息技術(shù)的進(jìn)步。此前，整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者都分別獲得了諾貝爾物理獎，而量子反常霍爾效應(yīng)被認(rèn)為可能是霍爾效應(yīng)家族的最后一個重要成員。
2010年，中科院物理所的方忠、戴希理論團(tuán)隊(duì)與拓?fù)浣^緣體理論的開創(chuàng)者之一、斯坦福大學(xué)的張首晟等合作，提出了實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的最佳體系。由清華大學(xué)的薛其坤、王亞愚、陳曦、賈金鋒研究組，與中科院物理所的馬旭村、何珂、王立莉研究組及呂力研究組組成的實(shí)驗(yàn)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)與之合作，開始向量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)發(fā)起沖擊。經(jīng)過近3年努力，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。
一位團(tuán)隊(duì)成員科學(xué)家告訴記者，他們的實(shí)驗(yàn)歷經(jīng)坎坷：首先他們生長了超過1000個樣品，使之長出一層幾納米厚的薄膜，然后再摻進(jìn)去鉻離子，還要實(shí)現(xiàn)一個有序的鐵磁狀態(tài)，最終在極低溫的裝置上進(jìn)行測量。據(jù)了解，由于量子反常霍爾效應(yīng)的重大意義，近年來，美國、德國、日本的科學(xué)家都在做同樣的事，競爭非常激烈。“依靠我們的優(yōu)秀理論基礎(chǔ)、艱苦實(shí)驗(yàn)、團(tuán)結(jié)合作和百折不撓，我們走在了前面。”這位科學(xué)家向記者透露，昨天成果在《科學(xué)》雜志上發(fā)表后，已經(jīng)有外國科學(xué)家向他們的中國同行表達(dá)了祝賀。至于這些中國科學(xué)家的自我慶祝方式，“就是彼此發(fā)了祝賀的電子郵件”。
量子反常霍爾效應(yīng)之所以如此重要，是因?yàn)檫@些效應(yīng)可能在未來電子器件中發(fā)揮特殊作用，無需高強(qiáng)磁場，就可以制備低能耗的高速電子器件，例如極低能耗的芯片——這意味著計(jì)算機(jī)未來可能更新?lián)Q代。
新聞背景
霍爾效應(yīng)：諾貝爾獎的富礦
霍爾效應(yīng)是美國物理學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的一個物理效應(yīng)。在一個通有電流的導(dǎo)體中，如果施加一個垂直于電流方向的磁場，由于洛倫茲力的作用，電子的運(yùn)動軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場方向的導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓，這個電磁輸運(yùn)現(xiàn)象就是著名的霍爾效應(yīng)。次年，霍爾又在磁性金屬中發(fā)現(xiàn)了無需外部磁場的霍爾效應(yīng)，稱為反常霍爾效應(yīng)。
從那時起，霍爾效應(yīng)就像一個富礦，一代又一代科學(xué)家為之著迷和獻(xiàn)身，他們的成就也多次獲得諾貝爾物理獎。
1980年左右，德國科學(xué)家馮•克利青發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，獲得1985年諾貝爾物理獎。
1982年，美籍華人物理學(xué)家崔琦和施特默等發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，這個效應(yīng)不久由另一位美國物理學(xué)家勞弗林給出理論解釋，他們?nèi)藰s獲1998年諾貝爾物理獎。
最近一次與霍爾效應(yīng)有關(guān)的諾貝爾獎是2010年的諾貝爾物理獎。2005年，英國科學(xué)家安德烈•海姆和康斯坦丁•諾沃肖洛夫成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。他們于2010年獲諾獎。石墨烯這種“超薄的碳膜”厚度只有0.335納米，是至今發(fā)現(xiàn)的厚度最薄和強(qiáng)度最高的材料。
此外，量子化自旋霍爾效應(yīng)于2007年被發(fā)現(xiàn)，2010年獲得歐洲物理獎，2012年獲得美國物理學(xué)會巴克利獎。
2013年3月15日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)文，宣布薛其坤院士領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上首次發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，而這被認(rèn)為有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個重要成員。
新聞解釋
量子反常霍爾效應(yīng)
將為我們帶來什么
與量子霍爾效應(yīng)相關(guān)的發(fā)現(xiàn)之所以屢獲學(xué)術(shù)大獎，是因?yàn)榛魻栃?yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要。人類日常生活中常用的很多電子器件都來自霍爾效應(yīng)，僅汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件就包括：信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負(fù)載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器等。
例如用在汽車開關(guān)電路上的功率霍爾電路，具有抑制電磁干擾的作用。因?yàn)槠嚨淖詣踊潭仍礁撸㈦娮与娐吩蕉啵驮脚码姶鸥蓴_。而汽車上有許多燈具和電器件在開關(guān)時會產(chǎn)生浪涌電流，使機(jī)械式開關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧，產(chǎn)生較大的電磁干擾信號。采用功率霍爾開關(guān)電路就可以減小這些現(xiàn)象。
此次中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的量子反常霍爾效應(yīng)也具有極高的應(yīng)用前景。量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要用到非常強(qiáng)的磁場，因此至今沒有廣泛應(yīng)用于個人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)上——因?yàn)橐a(chǎn)生所需的磁場不但價格昂貴，而且體積大概要有衣柜那么大。而反常霍爾效應(yīng)與普通的霍爾效應(yīng)在本質(zhì)上完全不同，因?yàn)檫@里不存在外磁場對電子的洛倫茲力而產(chǎn)生的運(yùn)動軌道偏轉(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。
如今中國科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了零磁場中的量子霍爾效應(yīng)，就有可能利用其無耗散的邊緣態(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)熱問題和摩爾定律的瓶頸問題。這些效應(yīng)可能在未來電子器件中發(fā)揮特殊作用：無需高強(qiáng)磁場，就可以制備低能耗的高速電子器件，例如極低能耗的芯片，進(jìn)而可能促成高容錯的全拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的誕生——這意味著個人電腦未來可能得以更新?lián)Q代。
