量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀測和體會（二）
薛其坤
量子霍爾效應(yīng)實(shí)際上給處在微觀世界的電子訂了一個“交通規(guī)則”。
量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為我們突破摩爾定律和集成電路的發(fā)展提供了一個全新的原理。這是物理學(xué)基本研究為未來工業(yè)界發(fā)展提供的嶄新道路。
整數(shù)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)
1980年，德國科學(xué)家馮·克利青（K.vonKlitzing）在場效應(yīng)晶體管中研究霍爾效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)了一個非常有趣的現(xiàn)象———整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。從這個曲線中可以看到 （圖1），紅線的縱軸是霍爾電阻，橫軸就是外加的磁場。從0開始慢慢增加磁場強(qiáng)度，在磁場很小時霍爾效應(yīng)是線性的，和磁場成正比，這個現(xiàn)象很正常。但是隨著磁場強(qiáng)度不斷增高，就逐漸出現(xiàn)了新的特征———它不再是線性的，而是出現(xiàn)了一個平臺，比如說在6個特斯拉到9個特斯拉之間，霍爾電阻一點(diǎn)都沒變，我們稱之為 “量子平臺”。更奇怪的是，這個平臺對應(yīng)于霍爾電阻的大小非常特別，h（普朗克常數(shù)）/e(一個電子帶的電量)2對應(yīng)的是25800多一點(diǎn)歐姆。這個平臺出現(xiàn)的地方，是這樣一個常數(shù)除上一個正整數(shù)，非常奇怪。五年后的1985年，馮·克利青因?yàn)檫@個發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
圖1整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。
整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的奇怪之處在于它和一個常數(shù)有關(guān)，而與材料、形狀、尺寸、大小和制備方法沒有任何關(guān)系。不同材料的物理、化學(xué)性質(zhì)都不一樣，怎么會出現(xiàn)常數(shù)呢？這背后一定隱含著物理學(xué)的一些很大、很重要的基本規(guī)律。這就是為什么量子霍爾效應(yīng)變得這么重要。
圖2分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。
還有其他更奇怪的地方。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，我們可以用砷化鎵或砷化鎵鋁代替硅，做成高速的場效應(yīng)晶體管。1982年，美國物理學(xué)家崔琦和施特莫發(fā)現(xiàn)當(dāng)把一種半導(dǎo)體換成另一種半導(dǎo)體、在兩維的體系中做類似測量時，不但在整數(shù)的地方，而且在1/3、2/3、2/5的地方也出現(xiàn)平臺。（圖2）這就是分?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)家勞弗林給出了理論解釋，他們?nèi)朔窒砹?998年的諾貝爾物理學(xué)獎。
量子霍爾效應(yīng)的啟示和應(yīng)用
實(shí)際上，后來隨著物理學(xué)家對量子霍爾效應(yīng)進(jìn)行更深入的研究，我們認(rèn)識到剛才看到的這個平臺是微觀世界中電子運(yùn)動的量子效應(yīng)非常生動的、深刻的體現(xiàn)。就是說從一個簡單的宏觀測量我們可以理解看不見、摸不著的電子究竟是在干什么。量子霍爾效應(yīng)實(shí)際上給處在微觀世界的電子訂了一個 “交通規(guī)則”：電子在這種強(qiáng)磁場中，只能沿著邊緣的一維通道中走。本來這是一個導(dǎo)體，加上一個很強(qiáng)的磁場后，這個材料的絕大部分變成絕緣的，電子只能在邊緣沿著一個個通道運(yùn)動，而且只能做單向運(yùn)動，不能返回。（圖3）這樣的發(fā)現(xiàn)使我們大大加深了對微觀世界的理解，這是物理學(xué)上一個非常大的進(jìn)步。
圖3量子霍爾效應(yīng)——電子運(yùn)動的“交通規(guī)則”。
這個發(fā)現(xiàn)有什么用處呢？首先可以實(shí)現(xiàn)無耗散、低能耗、高速度的電子器件，并由此推動信息和能源產(chǎn)業(yè)的巨大進(jìn)步。而且它對未來實(shí)現(xiàn)固體拓?fù)淞孔佑嬎愫托畔⑻幚淼母锩灿兄苯拥耐苿右饬x，這里我們先不涉及。量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為我們突破摩爾定律和集成電路的發(fā)展提供了一個全新的原理。這是物理學(xué)基本研究為未來工業(yè)界發(fā)展提供的嶄新道路。（圖4）但是正如剛才我們講到的，要加幾個特斯拉才能實(shí)現(xiàn)這種量子霍爾態(tài)，這就需要加一個非常大的磁場。加9、10個特斯拉的話是十萬高斯，而我們的地球產(chǎn)生的地磁場只有0.5高斯。所以我們要想建造電子的 “高速公路”，讓電子有規(guī)則地運(yùn)動，我們施加的磁場需要是地磁場的20萬倍。要形成這么大的磁場，所需要的磁鐵不僅造價高，而且“個頭大”，很不實(shí)用。（圖5）盡管量子霍爾效應(yīng)在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用面臨很大困難，但它在物理學(xué)上還是非常重要的。除了大大加深了我們對微觀世界的認(rèn)識，它在計量學(xué)中也有很重要的應(yīng)用。從1999年起，量子霍爾電阻被認(rèn)定為計量學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)電阻。量子霍爾效應(yīng)被認(rèn)為是測量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的獨(dú)立手段，對量子電動力學(xué)具有重要意義。
圖4量子霍爾效應(yīng)的應(yīng)用。
圖5影響應(yīng)用的一個問題：強(qiáng)磁場。
回到最初，1880年霍爾發(fā)現(xiàn)的反常霍爾效應(yīng)是不需要磁場的。沿著這樣一個思路我們會想到，有沒有不需要磁場的量子化霍爾效應(yīng)呢？如果我們的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量子化反常霍爾效應(yīng)，不僅在科學(xué)上有重要意義，可以弄清爭論了100多年的反常霍爾效應(yīng)的機(jī)制，而且在應(yīng)用上也有很大的價值。此外，這是一個精密的物理實(shí)驗(yàn)，有很大的挑戰(zhàn)性，如果能夠成功實(shí)現(xiàn)，說明我們的物理實(shí)驗(yàn)水平已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)母叨龋瑫r在這個過程中還能培養(yǎng)很多優(yōu)秀的年輕物理學(xué)家。我們清華大學(xué)的辦學(xué)理念是“頂天、立地、樹人”，我們的實(shí)驗(yàn)就是實(shí)現(xiàn)這一辦學(xué)理念非常好的平臺。（未完待續(xù)。本文根據(jù)薛其坤院士2013年4月27日做客清華論壇所作報告編輯整理。編輯整理/程曦 張碩 向小雨 賈霄宇 馬逸昕 韓靖北 周詩宇）
來源：新清華 2013-08-30
