中国科学家首次在实验上发现量子反常霍尔效应

或将引爆信息技术新革命

来源:光明日报 2013-3-16 邓晖 顾淑霞 王亚愚

  由清华大学薛其坤院士领衔,清华大学、中国科学院物理研究所和斯坦福大学研究人员联合组成的团队历经数年攻关,首次成功实现“量子反常霍尔效应”。这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术革命的进程。该物理效应从理论研究到实验观测的全过程,都由我国科学家独立完成。

  作为微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的完美体现,量子霍尔效应一直在凝聚态物理研究中占据着极其重要的地位。自美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应之后,不少科学家凭借在此领域的重要发现斩获大奖。1980年,德国科学家冯•克利青发现整数量子霍尔效应,于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年,美籍华裔物理学家崔琦、美国物理学家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,三人共同分享了1998年诺贝尔物理奖。

  而此次中国科学家发现的量子反常霍尔效应因为不需要外加磁场,成为多年来该领域一个非常困难的重大挑战。首先,它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质,是一种全新的量子效应;其次,它的实现也更加困难,需要精准的材料设计、制备与调控。因此,这项全新突破也被视作“有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员”。

  据介绍,量子霍尔效应的重要性在于它可能在未来电子器件中发挥特殊的作用,用于制备低能耗的高速电子器件,从而推动信息技术的进步。然而,由于普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场(通常需要的磁场强度是地磁场的几万倍甚至几十万倍),应用起来十分昂贵和困难;而且其体积庞大(衣柜大小)也不适合于个人电脑和便携式计算机。

  而量子反常霍尔效应的最美妙之处就在于不需要任何外加磁场,人类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,因此,这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术革命的进程。

  但反常霍尔效应的量子化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,清华大学薛其坤院士带领团队向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。四年来,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了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜,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h/e2~25800欧姆——世界难题得以攻克。

  “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。

■延伸阅读

霍尔效应与反常霍尔效应

  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。产生的横向电压被称为霍尔电压,霍尔电压与施加的电流之比则被称为霍尔电阻。由于洛伦兹力的大小与磁场成正比,所以霍尔电阻也与磁场成线性变化关系。

  1880年,霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现,即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应,这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。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,因此是一类新的重要物理效应。

2013年03月18日 15:50:23  清华新闻网

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