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量子反常霍尔效应或将带来下一次信息技术革命

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本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:科学大院,头图来源:视觉中国



量子反常霍尔效应,对普通人来说拗口而晦涩。但在物理学家眼中,它“神奇又美妙”。因为它的发现可能带来下一次信息技术革命。采用这种技术设计集成电路和元器件,千亿次的超级计算机有望做成平板电脑那么大,智能手机的内存可能会提高上千倍!


(图片来源:视觉中国)


那么什么是量子反常霍尔效应?它到底有多反常?对它的研究为什么引起世界各国科学家的兴趣?


量子霍尔效应:电子运动的“交通规则”


在普通导体中,电子的运动轨迹杂乱无章,不断发生碰撞。当在导体两端加上电极之后,电子就会形成横向漂移的稳定电流。而电流在传输中会存在能量损耗的现象。


如果在垂直于电流方向加上外磁场,材料里的电子由于磁场的作用力,会在导体一边形成积累电荷,最终会达到平衡形成稳定的霍尔电压。


当外场足够强,温度足够低时,导体中间的电子会在原地打转,会在边界上形成不易被外界干扰的半圆形导电通道,即量子霍尔效应。量子霍尔效应可以让电子在各自的跑道上“一往无前”地运动,降低能量损耗。


(图片来源:http://www.tsinghua.edu.cn)


量子霍尔效应在凝聚态物理的研究中占据着极其重要的地位。它就像一个富矿,一代又一代科学家为之着迷和献身,整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、半整数量子霍尔效应相继获得诺贝尔奖。


但是,在量子霍尔效应家族里,一个神秘成员是“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应,迟迟没有被人发现。


世界级难题 由中国团队攻克


长时间使用计算机时,会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题,这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道,它们相互碰撞从而发生能量损耗。量子霍尔效应的发现,为我们突破摩尔定律和集成电路的发展提供了一个全新的原理。这是物理学基本研究为未来工业界发展提供的崭新道路。


但它的产生需要非常强的磁场,相当于外加10个计算机大的磁铁,这样体积庞大且价格昂贵,显然不适合个人电脑和便携式计算机。而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场,即可实现电子的有序运动,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。


(图片来源:http://qianyan.kepu.cn/kjqy_zt/innoexpo2014/gclzhexy/index.html)


2010年左右,包括中国华人物理学家张首晟教授在内的科学家,在理论上预言了一种叫做拓扑绝缘体的新的材料,拓扑绝缘体就是内部绝缘、表面导电的拓扑材料,这些表面导电通道不受表面形貌、非磁杂质等的影响,所以是很好的一维导体。如果在其中掺入磁性原子形成长程铁磁序,这样无需外加磁场,就能形成稳定的基本没有耗散的量子反常霍尔效应。


如何用实验来证明上述理论呢?用实验验证量子反常霍尔效应的关键是制备出一种像石墨烯那样,一层一层平整的纳米材料。


(图片来源:https://upload-images.jianshu.io/upload_images/3390801-9d68ccd2108f9fc4.jpg)


量子反常霍尔效应对材料性质的要求非常苛刻,如同要求一个人同时具有短跑运动员速度、篮球运动员高度和体操运动员灵巧:材料能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态;材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应;材料体内必须为绝缘态从而只有一维边缘态参与导电。在实际材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度,而要同时满足这三点对实验物理学家来讲更是巨大挑战,正因为此,美国、德国、日本等科学家未取得最后成功。


自2009年起,中国科学院院士薛其坤带领由中科院物理研究所和清华大学物理系组成的实验团队向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。历经四年努力,团队生长和测量了1000多个样品,利用分子束外延的方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,将其制备成输运器件,并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。终于发现在一定的外加栅极电压范围内,此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值,世界难题得以攻克。


(图片来源:《科学》(Science)杂志)


美国《科学》杂志于2013年3月14日在线发表这一研究成果,引起物理学界巨大反响,著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁称赞其是诺贝尔奖级的成绩。“这是我们团队精诚合作、联合攻关的共同成果,是中国科学家的集体荣誉。”薛其坤院士强调说。


结语


量子反常霍尔效应可在未来解决摩尔定律的瓶颈问题,若应用到电子器件中,有望克服目前计算机发热耗能等带来的一系列问题,为半导体工业带来又一次的革命,甚至使巨型银河计算机变得像iPad般便携。它的发现或将带来下一次信息技术革命,我国科学家为国家争夺了这场信息革命中的战略制高点。


本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:科学大院,头图来源:视觉中国

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