我科學(xué)家發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)
開啟下一次信息革命
來源：人民日報 2013-4-11 趙婀娜
“這是一個‘諾貝爾獎級’的科研成果。”10日，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、清華大學(xué)高等研究院名譽院長楊振寧教授這樣評價中國科學(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)合組成的實驗團(tuán)隊完成。
量子反常霍爾效應(yīng)讓電子運動服從指揮，不亂跑亂撞，從而降低能耗
“一個直接的應(yīng)用就是可能對未來電子學(xué)的新變革產(chǎn)生重大推動作用。”薛其坤介紹，電子在芯片里的運動基本上可以類比為高級跑車在集市中運動，它們在非常雜亂無章的環(huán)境下到處碰撞、改變方向，既走了彎路，也會造成發(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，在運動過程中碰到雜質(zhì)障礙也會繞過后繼續(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。這一特性對開發(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：實現(xiàn)霍爾效應(yīng)需要外加磁場，強度要比地磁場強20萬倍甚至更多，為此需要做一個至少冰箱大小的磁鐵。試想，為了實現(xiàn)一張小芯片和集成電路的低能耗運行，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的情況下實現(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，通過密度集成，即使千億次的超級計算機都有望做成現(xiàn)在的平板電腦那么大。
四年測量樣品超過1000個，率先發(fā)現(xiàn)效應(yīng)，占據(jù)信息技術(shù)革命制高點
要在實驗上實現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)的量子化，需要拓?fù)浣^緣體材料同時滿足若干非常苛刻的條件。德國、日本、美國的科學(xué)家由于無法在材料中同時滿足這些條件而未能實現(xiàn)。
在過去近四年的時間里，團(tuán)隊測量了超過1000個樣品，克服了重重障礙，一步步實現(xiàn)了對磁性摻雜拓?fù)浣^緣體高質(zhì)量薄膜的生長、表面電子態(tài)的觀測，特別是對其電子結(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)隊用到了四五套世界上頂尖的精密的實驗儀器，團(tuán)隊精誠合作，才完成了如此高難度的研究。
“要把一個事情做好，首先要看準(zhǔn)一個目標(biāo)，這樣才能整合我們團(tuán)隊的精神，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新的高潮，也是在量子霍爾效應(yīng)系列里畫了一個非常完美的句號，很可能是信息技術(shù)的下一次革命。中國科學(xué)家的確是為國家爭奪了一個戰(zhàn)略的制高點。”團(tuán)隊成員、拓?fù)浣^緣領(lǐng)域的開創(chuàng)者之一、清華大學(xué)教授張首晟說。
延伸閱讀
霍爾效應(yīng)
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成正比，所以霍爾電阻也與磁場成線性變化關(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)時發(fā)現(xiàn)，即使不加外磁場也可以觀測到霍爾效應(yīng)，這種零磁場中的霍爾效應(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，因為這里不存在外磁場對電子的洛倫茲力而產(chǎn)生的運動軌道偏轉(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，因此是一類新的重要物理效應(yīng)。
