诺奖级成果带来什么

来源:浙江日报 2013-4-17 文敏

  中国科学家最新诺贝尔级科研成果量子反常霍尔效应(Anomalous Quantum Hall Effect)让众媒体与读者们着实犯了一把迷糊。这其中每一个单词都涉及数个尖端物理理念:量子、霍尔效应、反常(或称异常),延伸开去的基本概念涉及:凝聚态、自旋、洛伦兹力……

  好吧,我们也并不想钻进量子世界无法自拔,但我们真的很想知道这项科研成果为什么被称作是“诺贝尔”级别的?与你我这样的普通人有什么关系?为什么美国普林斯顿大学物理教授们这段时间大谈特谈的都是这个话题?

  什么是量子反常霍尔效应?领衔这次研究的薛其坤院士解释道:用一个形象的比喻,计算机芯片里的电子运动几乎无规律,将其比喻成人的话,就意味着运动过程经常呈现出无序和走弯路,接着就会发热,效率缓慢,这也是目前晶体管发热的一个重要原因之一。这一效应则制定了一个规则,让电子就像高速公路的汽车一样,按照规则前行。

  目前,普通量子霍尔效应的产生无法被广泛应用,因为它需要非常强的磁场,这样的磁场只有在实验室里才能达到。但量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场,因此这项研究成果将推动新一代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进程。 

  清华大学教授张首晟说,现代芯片处理器所消耗的100瓦功率中,有约20%被浪费在晶体管材料中。清华大学研究团队的专家说,量子反常霍尔效应在未来的电子器件中应用将会非常广泛,首先电子设备不会发热,另外电子设备的元器件集成密度将大大提高,“拥有上千亿次计算能力的计算机将浓缩成一部掌上电脑,走进寻常百姓家”。

  那为什么说它是“诺贝尔”级的发明?1879年,美国物理学家霍尔在长方形导体上发现了这一效应。因为霍尔效应在运动和磁场都有感应,所以可以用来做器件,比如说可以测量磁场,也可以测量运动事故,可以产生新的器件,像开关,汽车上面都可应用。霍尔很快凭此获得了诺贝尔物理学奖,过了两年,他又发现了一个分数量子霍尔效应,也获得了诺贝尔物理奖。这样,量子霍尔效应家族里就只剩下反常量子霍尔效应未被证实了。

  几年前,包括华人物理学家张首晟教授在内的科学家在理论上预言了拓扑绝缘体的存在,它是一种具有奇异量子特性的新物质状态,它完全不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”, 是一种内部绝缘,界面允许电荷移动的材料,它的出现引起很大轰动,因为这种材料的出现,意味着不需要磁场也会有量子霍尔效应了。

2013年04月17日 13:47:03  清华新闻网

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