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[焦点访谈]“反常”的奇迹

来源:焦点访谈 2013-4-13

  最近在科学界有个大事值得和大家分享,这就是我国科学家在实验中首次观测到量子反常霍尔效应。这是个什么样的发现呢?著名的诺贝尔物理学奖曾经三次颁给这个研究领域的科学家,所以杨振宁评价这是一个“诺贝尔奖级别”的科学成果。这么一个相当专业的研究,和我们的生活有什么样的关系,又有什么样的意义呢?

  这个实验是由薛其坤院士领导的由清华大学、中科院物理所和斯坦福大学研究人员联合组成的团队共同完成的。那么到底什么是量子反常霍尔效应呢?这要从什么是量子霍尔效应说起。

  清华大学物理系教授 王亚愚:您可以看,如果这是一个一般的金属材料或者半导体材料,那么里面电子的运动是非常无序的,它们杂乱无章、互相碰撞,那么这个就引起电子器件的速度降低,而且会能耗增大,会发热。这时候如果我们加一个强磁场,非常强的磁场,你可以看这是强磁场,这时候电子运动就变得有规律了,它们在材料的两端,像高速公路上的汽车一样,这么反向运动,那么这时候呢,电子运动速度就变快了,能耗降低了,这是一个量子霍尔效应态。

  霍尔效应是一个叫霍尔的美国科学家在100多年前发现的,是电磁效应的一种,在霍尔效应发现100年后,德国物理学家冯•克利青等发现了量子霍尔效应。量子霍尔效应就是在外力的作用下,可以让这些电子有规律地运动。后来科学家们又发现,在外力的作用下,电子还可以像高速路上跑的汽车一样,分不同方向和不同车道运动。这样一来就可以减少电子的碰撞,避免发热和能量损耗。从而解决信息技术遇到的瓶颈问题。但是,要让电子有规律地运动,让它们向着一个方向移动,需要很强的磁场。

  清华大学物理系教授 王亚愚:你可以看看这个磁场需要多大呢?这是我们实验用到的一个强磁场,实际上这个磁场还不够强,那么你可以看到一人高,造价非常昂贵,运行起来也非常麻烦,所以如果我们有一个小的电子器件,用这样的磁场来达到我们刚才说的量子霍尔效应态的话,很显然在实际应用中是不现实的。

  如果说需要磁场才能实现的量子霍尔效应是平常霍尔效应,科学家们就把不需要磁场的量子霍尔效应,称为反常霍尔效应。许多科学家提出了各种方案,但是在实验上,都没有取得任何进展。也许,科学家就是不断做梦,并且不断将梦想变成现实的人。

  2006年,美国斯坦福大学的张首晟教授,他领导的小组提出了一个新的材料,成功地预言了第一个拓扑绝缘体,2008年他们又提出一个,在这种拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新思路。

  美国斯坦福大学教授 张首晟:我在斯坦福大学的一个团队,在理论上探讨,感到在这个体系里面,就是在磁性的拓扑绝缘体这个体系里面,有可能实现这么一个(让电子)按照高速公路工作的原理。

  在此前理论工作的基础上,2010年,中科院物理所的理论物理学家方忠和戴希与张首晟教授合作,提出了一个实现量子反常霍尔效应的更好的材料体系。当时这个新的材料体系引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等地的科学家都沿着这个思路在实验上苦苦寻找,但一直没有取得突破。同样在苦苦寻找的还有中国的科学家。

  薛其坤院士从2008年开始就组建团队和中科院物理所的团队一起寻找那个让人实现梦想的材料。

  清华大学物理系主任 中国科学院院士 薛其坤:我们第一步要解决的问题首先就是材料问题,因为要实现这个效应,对材料的要求非常高。那么我们对杂质的控制,一百万个原子中,只能有一个杂质原子。那么这在实验上来讲,尽管我们的实验技术条件非常好,但是要达到这样一个状态还是非常困难的。

  这个小小的东西就是做实验的材料,它的计算单位精确到原子水平。从2008年开始到现在,薛其坤院士的团队先后有20多人参加,经历了1000多个日日夜夜,制作了1000多个这样的实验材料,终于在2012年的一天有了好消息,这一天是2012年10月12日。

  美国斯坦福大学教授 张首晟:这可能是我们两个人人生当中最最喜悦的那一天,在发现的那一时刻,使得我们看到我们这种深刻的一种信念,在大自然里面果然是被实现了,所以这种感受是科学家最最大的一个回报。

  经过进一步的实验和验证,2012年12月20日他们向《科学》杂志提交了关于量子反常霍尔效应的论文。经过《科学》杂志三位权威专家审评后,这篇论文在2013年3月15日正式发表。

  著名物理学家 诺贝尔奖获得者 杨振宁:我认为这一次的成功,是从中国的实验室里头所发表的第一次诺贝尔奖级的物理学论文。

  说到明星,我们现在就来看看之前因为在这个研究领域而闪耀的科学巨星们,他们都获得了诺贝尔物理学奖。来看一看:1985年的德国科学家冯•克利青;1998年的美籍华人物理学家崔琦和他的合作伙伴施特默、劳克林;以及2010年的英国科学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫。

  今天中国科学家又向前迈出了一大步,站在了这个研究领域的制高点。但现在这个实验还是在零下270摄氏度的绝对低温条件下进行的,距离实际应用还有很长的路要走。他们还要继续探索,寻找一个在常温下就能实现量子反常霍尔效应的实验材料。那么他们是如何站到目前这样一个制高点上的呢,我们还将关注。

  链接地址:http://news.cntv.cn/2013/04/13/VIDE1365855241032471.shtml

 

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2013-04-15 16:42:46]
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