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量子反常霍尔效应 被我科学家发现

前两位霍尔效应发现者均已获诺贝尔奖

来源:北京青年报 2013-3-16 雷嘉 马之恒

  来自清华大学、中科院物理所的科学家团队首次实验观测到了“量子反常霍尔效应”。这一成果昨天在美国《科学》杂志发表。这一发现可被用于发展新一代低能耗晶体管和电子学器件,进而推动信息技术的进步。此前,整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应的发现者都分别获得了诺贝尔物理奖,而量子反常霍尔效应被认为可能是霍尔效应家族的最后一个重要成员。

  2010年,中科院物理所的方忠、戴希理论团队与拓扑绝缘体理论的开创者之一、斯坦福大学的张首晟等合作,提出了实现量子反常霍尔效应的最佳体系。由清华大学的薛其坤、王亚愚、陈曦、贾金锋研究组,与中科院物理所的马旭村、何珂、王立莉研究组及吕力研究组组成的实验攻关团队与之合作,开始向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。经过近3年努力,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h/e2~ 25800欧姆。

  一位团队成员科学家告诉记者,他们的实验历经坎坷:首先他们生长了超过1000个样品,使之长出一层几纳米厚的薄膜,然后再掺进去铬离子,还要实现一个有序的铁磁状态,最终在极低温的装置上进行测量。据了解,由于量子反常霍尔效应的重大意义,近年来,美国、德国、日本的科学家都在做同样的事,竞争非常激烈。“依靠我们的优秀理论基础、艰苦实验、团结合作和百折不挠,我们走在了前面。”这位科学家向记者透露,昨天成果在《科学》杂志上发表后,已经有外国科学家向他们的中国同行表达了祝贺。至于这些中国科学家的自我庆祝方式,“就是彼此发了祝贺的电子邮件”。

  量子反常霍尔效应之所以如此重要,是因为这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用,无需高强磁场,就可以制备低能耗的高速电子器件,例如极低能耗的芯片——这意味着计算机未来可能更新换代。

新闻背景

霍尔效应:诺贝尔奖的富矿

  霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一个物理效应。在一个通有电流的导体中,如果施加一个垂直于电流方向的磁场,由于洛伦兹力的作用,电子的运动轨迹将产生偏转,从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压,这个电磁输运现象就是著名的霍尔效应。次年,霍尔又在磁性金属中发现了无需外部磁场的霍尔效应,称为反常霍尔效应。

  从那时起,霍尔效应就像一个富矿,一代又一代科学家为之着迷和献身,他们的成就也多次获得诺贝尔物理奖。

  1980年左右,德国科学家冯•克利青发现了整数量子霍尔效应,获得1985年诺贝尔物理奖。

  1982年,美籍华人物理学家崔琦和施特默等发现了分数量子霍尔效应,这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出理论解释,他们三人荣获1998年诺贝尔物理奖。

  最近一次与霍尔效应有关的诺贝尔奖是2010年的诺贝尔物理奖。2005年,英国科学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,在常温下观察到量子霍尔效应。他们于2010年获诺奖。石墨烯这种“超薄的碳膜”厚度只有0.335纳米,是至今发现的厚度最薄和强度最高的材料。

  此外,量子化自旋霍尔效应于2007年被发现,2010年获得欧洲物理奖,2012年获得美国物理学会巴克利奖。

  2013年3月15日,《科学》杂志在线发文,宣布薛其坤院士领衔的团队在实验上首次发现量子反常霍尔效应,而这被认为有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员。

新闻解释

量子反常霍尔效应

将为我们带来什么

  与量子霍尔效应相关的发现之所以屡获学术大奖,是因为霍尔效应在应用技术中特别重要。人类日常生活中常用的很多电子器件都来自霍尔效应,仅汽车上广泛应用的霍尔器件就包括:信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器等。

  例如用在汽车开关电路上的功率霍尔电路,具有抑制电磁干扰的作用。因为汽车的自动化程度越高,微电子电路越多,就越怕电磁干扰。而汽车上有许多灯具和电器件在开关时会产生浪涌电流,使机械式开关触点产生电弧,产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路就可以减小这些现象。

  此次中国科学家发现的量子反常霍尔效应也具有极高的应用前景。量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场,因此至今没有广泛应用于个人电脑和便携式计算机上——因为要产生所需的磁场不但价格昂贵,而且体积大概要有衣柜那么大。而反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同,因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转,反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的。

  如今中国科学家在实验上实现了零磁场中的量子霍尔效应,就有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件,从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题。这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用:无需高强磁场,就可以制备低能耗的高速电子器件,例如极低能耗的芯片,进而可能促成高容错的全拓扑量子计算机的诞生——这意味着个人电脑未来可能得以更新换代。

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2013-03-18 15:52:28]
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