我科學(xué)家發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)
開(kāi)啟下一次信息革命
來(lái)源：人民日?qǐng)?bào) 2013-4-11 趙婀娜
“這是一個(gè)‘諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)’的科研成果。”10日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、清華大學(xué)高等研究院名譽(yù)院長(zhǎng)楊振寧教授這樣評(píng)價(jià)中國(guó)科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的科研成果。這個(gè)成果由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜、清華大學(xué)物理系和中科院物理所聯(lián)合組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)完成。
量子反常霍爾效應(yīng)讓電子運(yùn)動(dòng)服從指揮，不亂跑亂撞，從而降低能耗
“一個(gè)直接的應(yīng)用就是可能對(duì)未來(lái)電子學(xué)的新變革產(chǎn)生重大推動(dòng)作用。”薛其坤介紹，電子在芯片里的運(yùn)動(dòng)基本上可以類比為高級(jí)跑車在集市中運(yùn)動(dòng)，它們?cè)诜浅ｋs亂無(wú)章的環(huán)境下到處碰撞、改變方向，既走了彎路，也會(huì)造成發(fā)熱，效率因而降低，這也是目前晶體管發(fā)熱、電腦用久了發(fā)燙的重要原因之一。
在量子霍爾效應(yīng)下，電子就像汽車行駛在高速公路上一樣，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中碰到雜質(zhì)障礙也會(huì)繞過(guò)后繼續(xù)前行，而不是像普通條件下的電子那樣因碰撞而改變方向并導(dǎo)致發(fā)熱。這一特性對(duì)開(kāi)發(fā)低能耗電子學(xué)器件有非常重要的作用。
既然量子霍爾效應(yīng)有這么大的意義，為什么一直得不到應(yīng)用？
薛其坤介紹：實(shí)現(xiàn)霍爾效應(yīng)需要外加磁場(chǎng)，強(qiáng)度要比地磁場(chǎng)強(qiáng)20萬(wàn)倍甚至更多，為此需要做一個(gè)至少冰箱大小的磁鐵。試想，為了實(shí)現(xiàn)一張小芯片和集成電路的低能耗運(yùn)行，卻要配套一塊巨大的磁鐵，不具經(jīng)濟(jì)意義。但是如果在不外加磁場(chǎng)的情況下實(shí)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)，即量子反常霍爾效應(yīng)，就有可能推動(dòng)新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件發(fā)展。如果量子反常霍爾效應(yīng)得以應(yīng)用，通過(guò)密度集成，即使千億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)都有望做成現(xiàn)在的平板電腦那么大。
四年測(cè)量樣品超過(guò)1000個(gè)，率先發(fā)現(xiàn)效應(yīng)，占據(jù)信息技術(shù)革命制高點(diǎn)
要在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)的量子化，需要拓?fù)浣^緣體材料同時(shí)滿足若干非常苛刻的條件。德國(guó)、日本、美國(guó)的科學(xué)家由于無(wú)法在材料中同時(shí)滿足這些條件而未能實(shí)現(xiàn)。
在過(guò)去近四年的時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)測(cè)量了超過(guò)1000個(gè)樣品，克服了重重障礙，一步步實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁性摻雜拓?fù)浣^緣體高質(zhì)量薄膜的生長(zhǎng)、表面電子態(tài)的觀測(cè)，特別是對(duì)其電子結(jié)構(gòu)、磁有序態(tài)和能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控。
薛其坤領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)用到了四五套世界上頂尖的精密的實(shí)驗(yàn)儀器，團(tuán)隊(duì)精誠(chéng)合作，才完成了如此高難度的研究。
“要把一個(gè)事情做好，首先要看準(zhǔn)一個(gè)目標(biāo)，這樣才能整合我們團(tuán)隊(duì)的精神，把事情做好。量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)把拓?fù)浣^緣體的研究推向一個(gè)新的高潮，也是在量子霍爾效應(yīng)系列里畫了一個(gè)非常完美的句號(hào)，很可能是信息技術(shù)的下一次革命。中國(guó)科學(xué)家的確是為國(guó)家爭(zhēng)奪了一個(gè)戰(zhàn)略的制高點(diǎn)。”團(tuán)隊(duì)成員、拓?fù)浣^緣領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)者之一、清華大學(xué)教授張首晟說(shuō)。
延伸閱讀
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)生的橫向電壓被稱為霍爾電壓，霍爾電壓與施加的電流之比則被稱為霍爾電阻。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。
反常霍爾效應(yīng)
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，因此是一類新的重要物理效應(yīng)。
