薛其坤等《科學(xué)》發(fā)文 首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)
或?qū)⑼苿?dòng)信息技術(shù)進(jìn)步
清華新聞網(wǎng)3月15日電 （記者 顧淑霞 通訊員王亞愚） 由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜,，清華大學(xué),、中科院物理所和斯坦福大學(xué)的研究人員聯(lián)合組成的團(tuán)隊(duì)在量子反常霍爾效應(yīng)研究中取得重大突破,，從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)，在美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1880年發(fā)現(xiàn)反?；魻栃?yīng)133年后終于實(shí)現(xiàn)了反?；魻栃?yīng)的量子化。這是我國(guó)科學(xué)家從實(shí)驗(yàn)上獨(dú)立觀測(cè)到的一個(gè)重要物理現(xiàn)象,，也是世界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn),。該成果于北京時(shí)間3月15日凌晨（美國(guó)東部時(shí)間3月14日下午）在《科學(xué)》雜志在線發(fā)表,。《科學(xué)》雜志的三位匿名審稿人對(duì)該項(xiàng)成果都給予了高度評(píng)價(jià),。文章的共同第一作者為清華大學(xué)物理系的博士生常翠祖,、張金松、馮硝同學(xué)和中科院物理所的博士生沈潔同學(xué),。該工作是由清華大學(xué)物理系薛其坤、王亞愚,、陳曦,、賈金鋒，中科院物理所何珂,、馬旭村,、王立莉、呂力,、方忠,、戴希等一起共同攻關(guān)完成的。
Chemical potential
量子反?；魻栃?yīng)的原理示意圖：當(dāng)化學(xué)勢(shì)（chemical potential）位于鐵磁拓?fù)浣^緣體的狄拉克點(diǎn)處打開的能隙內(nèi)時(shí),，其零磁場(chǎng)的反常霍爾電導(dǎo)sxy(0) 達(dá)到量子電導(dǎo)e2/h的數(shù)值并形成平臺(tái),，而其縱向電導(dǎo)sxx(0)變?yōu)?,。
由于人們有可能利用量子霍爾效應(yīng)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件，這將會(huì)克服電腦的發(fā)熱和能量耗散問(wèn)題,，從而有可能推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)步,。然而，由于普通量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要用到非常強(qiáng)的磁場(chǎng)（通常需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度是地磁場(chǎng)的幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)倍）,，因此應(yīng)用起來(lái)非常昂貴和困難,。而量子反常霍爾效應(yīng)的最美妙之處是不需要任何外加磁場(chǎng),，因此,，這項(xiàng)研究成果將會(huì)推動(dòng)新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，可能加速推進(jìn)信息技術(shù)革命的進(jìn)程,。
量子反?；魻栃?yīng)的測(cè)量器件示意圖：將分子束外延生長(zhǎng)的鐵磁拓?fù)浣^緣體薄膜制備成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)，并對(duì)其霍爾電阻ryx 和縱向電阻rxx進(jìn)行精密測(cè)量,。
美國(guó)科學(xué)家霍爾分別于1879年和1880年發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)和反?；魻栃?yīng)。1980年德國(guó)科學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng),，1982年美國(guó)科學(xué)家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng),，這兩項(xiàng)成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng),。2006年，張首晟教授領(lǐng)導(dǎo)的理論組成功地預(yù)言了二維拓?fù)浣^緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng),，于2007年被實(shí)驗(yàn)證實(shí),。量子反常霍爾效應(yīng)是又一個(gè)全新的量子效應(yīng),，被認(rèn)為有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個(gè)重要成員,；加之其在應(yīng)用方面的重要性，因此,，從理論研究和實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)，成為凝聚態(tài)物理學(xué)家追求的目標(biāo),。自1988年開始就不斷有理論物理學(xué)家提出各種方案,，這包括2008年張首晟等和2010年方忠和戴希等提出的磁性摻雜拓?fù)浣^緣體方案。然而反?；魻栃?yīng)的量子化需要材料的性質(zhì)同時(shí)滿足三項(xiàng)非?？量痰臈l件，這就如同要求一個(gè)人同時(shí)具有短跑運(yùn)動(dòng)員的速度,、籃球運(yùn)動(dòng)員的高度和體操運(yùn)動(dòng)員的靈巧：材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦詮亩哂袑?dǎo)電的一維邊緣態(tài),，即一維導(dǎo)電通道；材料必須具有長(zhǎng)程鐵磁序從而存在反?；魻栃?yīng),；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，只有一維邊緣態(tài)參與導(dǎo)電,。在實(shí)際的材料中實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都具有相當(dāng)大的難度,，而要同時(shí)滿足這三點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來(lái)講是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，美國(guó),、德國(guó),、日本等科學(xué)家由于無(wú)法在材料中同時(shí)滿足這三點(diǎn)而未取得最后的成功。
量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖：不同的曲線顯示在不同柵極電壓下材料霍爾電阻ryx 隨磁場(chǎng)的變化,。在一定的柵極電壓范圍內(nèi)，零磁場(chǎng)的反?；魻栯娮钄?shù)值達(dá)到量子電阻的數(shù)值h/e2,。
自2009年起，在清華大學(xué)薛其坤院士的帶領(lǐng)下,，中國(guó)科學(xué)院物理研究所的馬旭村,、何珂和王立莉、清華大學(xué)物理系王亞愚,、陳曦和賈金鋒以及中科院物理所的呂力等四個(gè)研究組組成的實(shí)驗(yàn)攻關(guān)團(tuán)隊(duì),，與中科院物理所方忠,、戴希等組成的理論團(tuán)隊(duì)，開始向量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)發(fā)起沖擊,。在過(guò)去近四年的時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng)和測(cè)量了超過(guò)1000個(gè)樣品,，一步步克服了重重障礙,。團(tuán)隊(duì)利用分子束外延的方法生長(zhǎng)了高質(zhì)量的磁性摻雜拓?fù)浣^緣體薄膜，將其制備成輸運(yùn)器件并在極低溫環(huán)境下對(duì)其磁電阻和反?；魻栃?yīng)進(jìn)行了精密測(cè)量,。他們發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場(chǎng)中的反?；魻栯娮柽_(dá)到了量子霍爾效應(yīng)的特征值h/e2~ 25800歐姆。他們將研究成果投到美國(guó)《科學(xué)》（Science）雜志,，很快被接受,。
“這是我們團(tuán)隊(duì)精誠(chéng)合作，聯(lián)合攻關(guān)的共同成果,，是中國(guó)科學(xué)家的集體榮譽(yù)”,。薛其坤院士強(qiáng)調(diào)說(shuō)。
在研究過(guò)程中,，該團(tuán)隊(duì)取得了系列研究成果,，拓?fù)浣^緣體研究成果曾入選2010年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展和中國(guó)高校十大科技進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)成員還獲得了2011年“求是杰出科學(xué)家獎(jiǎng)”,、“求是杰出科學(xué)成就集體獎(jiǎng)”和“中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)”以及2012年“陳嘉庚科學(xué)獎(jiǎng)”和“全球華人物理學(xué)會(huì)亞洲成就獎(jiǎng)”等榮譽(yù),。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部,、教育部,、清華大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院等的基金資助。
背景鏈接一：量子霍爾效應(yīng)的研究成果
在凝聚態(tài)物理的研究中,，量子霍爾效應(yīng)占據(jù)著極其重要的地位,，此前在這方面的重要工作包括：
整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（1980年發(fā)現(xiàn)，1985年諾貝爾物理獎(jiǎng)）,；
分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)（1982年發(fā)現(xiàn),，1998年諾貝爾物理獎(jiǎng)）；
量子化自旋霍爾效應(yīng)（2007年發(fā)現(xiàn),，2010年歐洲物理獎(jiǎng),，2012年美國(guó)物理學(xué)會(huì)巴克利獎(jiǎng)）。
量子反?；魻栃?yīng)是在此領(lǐng)域的又一個(gè)重大進(jìn)展,，有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個(gè)重要成員,。
背景鏈接二：霍爾效應(yīng)、量子霍爾效應(yīng)與量子反?；魻栃?yīng)
霍爾效應(yīng)是美國(guó)物理學(xué)家霍爾(Edwin Hall)于1879年發(fā)現(xiàn)的一個(gè)物理效應(yīng),。在一個(gè)通有電流的導(dǎo)體中，如果施加一個(gè)垂直于電流方向的磁場(chǎng),，由于洛倫茲力的作用,，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓,，這個(gè)電磁輸運(yùn)現(xiàn)象就是著名的霍爾效應(yīng),。產(chǎn)生的橫向電壓被稱為霍爾電壓，霍爾電壓與施加的電流之比則被稱為霍爾電阻,。由于洛倫茲力的大小與磁場(chǎng)成正比,，所以霍爾電阻也與磁場(chǎng)成線性變化關(guān)系。
1980年左右,，德國(guó)科學(xué)家馮·克利青(Klaus von Klitzing)發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng),，獲得1985年諾貝爾物理獎(jiǎng)。1982年,，美籍華人物理學(xué)家崔琦(Daniel Chee Tsui)和施特默(Horst L. Stormer) 等發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng),，這個(gè)效應(yīng)不久由另一位美國(guó)物理學(xué)家勞弗林(Robert B. Laughlin)給出理論解釋，他們?nèi)藰s獲1998年諾貝爾物理獎(jiǎng),。
量子霍爾效應(yīng)之所以如此重要,，一方面是由于它們體現(xiàn)了二維電子系統(tǒng)在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)的極端條件下的奇妙量子行為，另一方面這些效應(yīng)可能在未來(lái)電子器件中發(fā)揮特殊的作用,，可以用于制備低能耗的高速電子器件,。例如，如果把量子霍爾效應(yīng)引入計(jì)算機(jī)芯片,，將會(huì)克服電腦的發(fā)熱和能量耗散問(wèn)題,。然而由于量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要用到非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，因此至今為止它還沒(méi)有特別大的實(shí)用價(jià)值－－要產(chǎn)生所需的磁場(chǎng)不但價(jià)格昂貴,，而且其體積龐大（衣柜大?。┮膊贿m合于個(gè)人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)。
1880年,，霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn),，即使不加外磁場(chǎng)也可以觀測(cè)到霍爾效應(yīng)，這種零磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)就是反?；魻栃?yīng),。反常霍爾效應(yīng)與普通的霍爾效應(yīng)在本質(zhì)上完全不同，因?yàn)檫@里不存在外磁場(chǎng)對(duì)電子的洛倫茲力而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌道偏轉(zhuǎn),。反?；魻栯妼?dǎo)是由于材料本身的自發(fā)磁化而產(chǎn)生的，因此是一類新的重要物理效應(yīng),。聯(lián)想到上面介紹的量子化的霍爾效應(yīng),，人們自然就會(huì)問(wèn)，能不能實(shí)現(xiàn)不需要外加磁場(chǎng)的量子化的反?；魻栃?yīng)呢,？這首先將是又一個(gè)全新的量子效應(yīng)，有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個(gè)重要成員,。此外,，如果能在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)零磁場(chǎng)中的量子霍爾效應(yīng)，我們就有可能利用其無(wú)耗散的邊緣態(tài)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件,，從而解決電腦發(fā)熱問(wèn)題和摩爾定律的瓶頸問(wèn)題,，有可能推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)步。該團(tuán)隊(duì)的研究使這一期待變成現(xiàn)實(shí),。
北京時(shí)間2013年3月15日,，《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)文，宣布薛其坤院士領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上首次發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。
編輯：范 麗
