我科学家发现量子反常霍尔效应

开启下一次信息革命

来源:人民日报 2013-4-11 赵婀娜

  “这是一个‘诺贝尔奖级’的科研成果。”10日,诺贝尔物理学奖获得者、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授这样评价中国科学家首次发现量子反常霍尔效应的科研成果。这个成果由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理所联合组成的实验团队完成。

量子反常霍尔效应让电子运动服从指挥,不乱跑乱撞,从而降低能耗

  “一个直接的应用就是可能对未来电子学的新变革产生重大推动作用。”薛其坤介绍,电子在芯片里的运动基本上可以类比为高级跑车在集市中运动,它们在非常杂乱无章的环境下到处碰撞、改变方向,既走了弯路,也会造成发热,效率因而降低,这也是目前晶体管发热、电脑用久了发烫的重要原因之一。

  在量子霍尔效应下,电子就像汽车行驶在高速公路上一样,在运动过程中碰到杂质障碍也会绕过后继续前行,而不是像普通条件下的电子那样因碰撞而改变方向并导致发热。这一特性对开发低能耗电子学器件有非常重要的作用。

  既然量子霍尔效应有这么大的意义,为什么一直得不到应用?

  薛其坤介绍:实现霍尔效应需要外加磁场,强度要比地磁场强20万倍甚至更多,为此需要做一个至少冰箱大小的磁铁。试想,为了实现一张小芯片和集成电路的低能耗运行,却要配套一块巨大的磁铁,不具经济意义。但是如果在不外加磁场的情况下实现量子霍尔效应,即量子反常霍尔效应,就有可能推动新一代低能耗晶体管和电子学器件发展。如果量子反常霍尔效应得以应用,通过密度集成,即使千亿次的超级计算机都有望做成现在的平板电脑那么大。

四年测量样品超过1000个,率先发现效应,占据信息技术革命制高点

  要在实验上实现反常霍尔效应的量子化,需要拓扑绝缘体材料同时满足若干非常苛刻的条件。德国、日本、美国的科学家由于无法在材料中同时满足这些条件而未能实现。

  在过去近四年的时间里,团队测量了超过1000个样品,克服了重重障碍,一步步实现了对磁性掺杂拓扑绝缘体高质量薄膜的生长、表面电子态的观测,特别是对其电子结构、磁有序态和能带拓扑结构的精密调控。

  薛其坤领衔的团队用到了四五套世界上顶尖的精密的实验仪器,团队精诚合作,才完成了如此高难度的研究。

  “要把一个事情做好,首先要看准一个目标,这样才能整合我们团队的精神,把事情做好。量子反常霍尔效应的发现把拓扑绝缘体的研究推向一个新的高潮,也是在量子霍尔效应系列里画了一个非常完美的句号,很可能是信息技术的下一次革命。中国科学家的确是为国家争夺了一个战略的制高点。”团队成员、拓扑绝缘领域的开创者之一、清华大学“千人计划”教授张首晟说。

延伸阅读

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。

反常霍尔效应

  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04月11日 15:49:46  清华新闻网

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