量子反?；魻栃?yīng) 被我科學(xué)家發(fā)現(xiàn)
前兩位霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)者均已獲諾貝爾獎(jiǎng)
來(lái)源：北京青年報(bào) 2013-3-16 雷嘉 馬之恒
來(lái)自清華大學(xué),、中科院物理所的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了“量子反常霍爾效應(yīng)”,。這一成果昨天在美國(guó)《科學(xué)》雜志發(fā)表,。這一發(fā)現(xiàn)可被用于發(fā)展新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件,，進(jìn)而推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)步。此前,，整數(shù)量子霍爾效應(yīng),、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者都分別獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)，而量子反?；魻栃?yīng)被認(rèn)為可能是霍爾效應(yīng)家族的最后一個(gè)重要成員,。
2010年，中科院物理所的方忠,、戴希理論團(tuán)隊(duì)與拓?fù)浣^緣體理論的開創(chuàng)者之一,、斯坦福大學(xué)的張首晟等合作，提出了實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的最佳體系,。由清華大學(xué)的薛其坤,、王亞愚、陳曦,、賈金鋒研究組,，與中科院物理所的馬旭村、何珂,、王立莉研究組及呂力研究組組成的實(shí)驗(yàn)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)與之合作,，開始向量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)發(fā)起沖擊,。經(jīng)過(guò)近3年努力,，終于發(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,。
一位團(tuán)隊(duì)成員科學(xué)家告訴記者，他們的實(shí)驗(yàn)歷經(jīng)坎坷：首先他們生長(zhǎng)了超過(guò)1000個(gè)樣品,，使之長(zhǎng)出一層幾納米厚的薄膜,，然后再摻進(jìn)去鉻離子，還要實(shí)現(xiàn)一個(gè)有序的鐵磁狀態(tài),，最終在極低溫的裝置上進(jìn)行測(cè)量,。據(jù)了解，由于量子反?；魻栃?yīng)的重大意義,，近年來(lái)，美國(guó),、德國(guó),、日本的科學(xué)家都在做同樣的事，競(jìng)爭(zhēng)非常激烈,。“依靠我們的優(yōu)秀理論基礎(chǔ),、艱苦實(shí)驗(yàn)、團(tuán)結(jié)合作和百折不撓,，我們走在了前面,。”這位科學(xué)家向記者透露，昨天成果在《科學(xué)》雜志上發(fā)表后,，已經(jīng)有外國(guó)科學(xué)家向他們的中國(guó)同行表達(dá)了祝賀,。至于這些中國(guó)科學(xué)家的自我慶祝方式，“就是彼此發(fā)了祝賀的電子郵件”,。
量子反?；魻栃?yīng)之所以如此重要,，是因?yàn)檫@些效應(yīng)可能在未來(lái)電子器件中發(fā)揮特殊作用，無(wú)需高強(qiáng)磁場(chǎng),，就可以制備低能耗的高速電子器件,，例如極低能耗的芯片——這意味著計(jì)算機(jī)未來(lái)可能更新?lián)Q代。
新聞背景
霍爾效應(yīng)：諾貝爾獎(jiǎng)的富礦
霍爾效應(yīng)是美國(guó)物理學(xué)家霍爾于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),。次年,，霍爾又在磁性金屬中發(fā)現(xiàn)了無(wú)需外部磁場(chǎng)的霍爾效應(yīng)，稱為反?；魻栃?yīng),。
從那時(shí)起，霍爾效應(yīng)就像一個(gè)富礦,，一代又一代科學(xué)家為之著迷和獻(xiàn)身,，他們的成就也多次獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。
1980年左右,，德國(guó)科學(xué)家馮•克利青發(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)家崔琦和施特默等發(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)家勞弗林給出理論解釋,，他們?nèi)藰s獲1998年諾貝爾物理獎(jiǎng),。
最近一次與霍爾效應(yīng)有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)是2010年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。2005年,，英國(guó)科學(xué)家安德烈•海姆和康斯坦丁•諾沃肖洛夫成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯,，在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。他們于2010年獲諾獎(jiǎng),。石墨烯這種“超薄的碳膜”厚度只有0.335納米,，是至今發(fā)現(xiàn)的厚度最薄和強(qiáng)度最高的材料。
此外,，量子化自旋霍爾效應(yīng)于2007年被發(fā)現(xiàn),，2010年獲得歐洲物理獎(jiǎng)，2012年獲得美國(guó)物理學(xué)會(huì)巴克利獎(jiǎng),。
2013年3月15日,，《科學(xué)》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)量子反常霍爾效應(yīng),，而這被認(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,。
新聞解釋
量子反常霍爾效應(yīng)
將為我們帶來(lái)什么
與量子霍爾效應(yīng)相關(guān)的發(fā)現(xiàn)之所以屢獲學(xué)術(shù)大獎(jiǎng),，是因?yàn)榛魻栃?yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要,。人類日常生活中常用的很多電子器件都來(lái)自霍爾效應(yīng)，僅汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件就包括：信號(hào)傳感器,、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器,、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測(cè)器,、各種用電負(fù)載的電流檢測(cè)及工作狀態(tài)診斷,、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器等。
例如用在汽車開關(guān)電路上的功率霍爾電路,，具有抑制電磁干擾的作用,。因?yàn)槠嚨淖詣?dòng)化程度越高，微電子電路越多,，就越怕電磁干擾,。而汽車上有許多燈具和電器件在開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，使機(jī)械式開關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧,，產(chǎn)生較大的電磁干擾信號(hào),。采用功率霍爾開關(guān)電路就可以減小這些現(xiàn)象。
此次中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的量子反?；魻栃?yīng)也具有極高的應(yīng)用前景,。量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要用到非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，因此至今沒(méi)有廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)上——因?yàn)橐a(chǎn)生所需的磁場(chǎng)不但價(jià)格昂貴,，而且體積大概要有衣柜那么大,。而反常霍爾效應(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),，反常霍爾電導(dǎo)是由于材料本身的自發(fā)磁化而產(chǎn)生的,。
如今中國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了零磁場(chǎng)中的量子霍爾效應(yīng),，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,。這些效應(yīng)可能在未來(lái)電子器件中發(fā)揮特殊作用：無(wú)需高強(qiáng)磁場(chǎng),，就可以制備低能耗的高速電子器件，例如極低能耗的芯片,，進(jìn)而可能促成高容錯(cuò)的全拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的誕生——這意味著個(gè)人電腦未來(lái)可能得以更新?lián)Q代,。
