中國科學家首次在實驗中發現量子反常霍爾效應。著名物理學家、諾貝爾獎得主楊振寧昨日稱贊這項科研成果是“諾貝爾獎級”的成績。 昨天，清華大學和中國科學院物理研究所在北京聯合宣布：由清華大學教授、中國科學院院士薛其坤領銜，清華大學物理系和中科院物理研究所聯合組成的實驗團隊最近取得重大科研突破，在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應，“反常霍爾效應”被認為可能是量子霍爾效應家族最后一個有待實驗發現的成員。 為了實現這一基礎科學領域的重大突破，中國科學家團隊整整花了四年時間。4年間，薛其坤和他的團隊測試了1000多個樣本，在極其嚴格的要求下完成了這一實驗。 影響 未來電腦或不再需散熱器 這項研究成果的長遠意義在于將推動新一代低能耗晶體管和電子學器件的發展，可能加速推進信息技術革命進程。 據介紹，在當今信息社會，半導體技術飛速發展，但電腦運行中熱量如何散發成為困擾半導體和信息產業發展的一個瓶頸問題。而量子反常霍爾效應的發現將有望解決這一難題。科學家可使電子在不需要強磁場的情況下，按照固定軌跡運動，減少電子無規則碰撞導致的發熱和能量損耗。通過密度集成，將來計算機的體積也將大大縮小，千億次的超級計算機有望做成現在的IPAD那么大，未來電腦也可能不再需要散熱器。 由于科研條件等因素制約，從實驗室到實際應用，要走的道路還很長。為此次實驗發現提供理論支持的斯坦福大學教授、清華大學“千人計劃”教授張首晟說，要將這項實驗成果在實際中予以應用，還需要實現從實驗條件下的超低溫到高溫的過程，他對這個很有信心。
名詞解釋 何為量子反常霍爾效應？ 薛其坤解釋，量子霍爾效應就定義一個規則：原來電子在運動過程中碰到雜質，能被反射回來。而現在不再反射回來，要按照規則朝前走，這樣的直接結果就是實現了非常低的能耗。但是量子霍爾效應一直沒有實際應用，原因之一就是要實現霍爾效應需要加一個非常大的磁場，“一個小芯片為了低能耗的概念，需要外加一個比十個計算機還大的磁鐵，顯然從經濟上沒有意義。”而量子反常霍爾效應，就是在無磁場中實現的，將推動未來無能耗電子學的發展。 反常霍爾效應：不加外磁場也可以觀測到霍爾效應。 量子霍爾效應：霍爾效應的量子力學版本。 量子反常霍爾效應：零磁場中實現量子霍爾效應。 雖然對獲諾貝爾獎的具體條件無法定義，但我相信99%在前沿物理學做研究的人都會同意這（實驗中發現量子反常霍爾效應）是一個諾貝爾獎級的成果……過去人們總認為中國人不善于做實驗，只會搞理論，其實中國已有世界一流實驗室，加上中國人的勤奮和團隊合作精神，是能夠做出一流的實驗的。 要了解量子反常霍爾效應，必須先認識量子霍爾效應。舉一個簡單的例子，我們使用計算機的時候，會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態下芯片中的電子運動沒有特定的軌道，相互碰撞從而發生能量損耗。 “量子霍爾效應則可以對電子的運動制定一個規則，讓它們在各自的跑道上前進，就好比一輛高級跑車，常態下是在擁擠的農貿市場里前進，而在量子霍爾效應下，則可以在沒有干擾的高速路上前進。”清華大學薛其坤院士形象地說。 量子霍爾效應能解決電子碰撞發熱的問題，因而在未來的量子計算、量子信息存儲方面具有巨大的應用潛力，據此設計新一代大規模集成電路和元器件，將會具有極低的能耗。 然而，量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場，不但價格昂貴，而且體積相當于一個衣柜那么大，不適合個人電腦和便攜式計算機。“而量子反常霍爾效應的美妙之處是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。”薛其坤說。 科學家表示，量子反常霍爾效應有可能推動新一代低能耗晶體管和電子學器件發展，通過密度集成，將來計算機的體積也將大大縮小，即使千億次的超級計算機都有望做成現在的平板電腦那么大。 在凝聚態物理中，量子霍爾效應占據著極其重要的地位。整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的實驗發現分別于１９８５年和１９９８年獲得諾貝爾物理學獎。這次由薛其坤院士領銜、清華大學和中科院物理研究所聯合團隊首次在實驗上觀測到的量子反常霍爾效應，被認為可能是量子霍爾效應家族最后一個有待實驗發現的成員。 “量子反常霍爾效應的發現可能帶來下一次信息技術革命，中國科學家為國家爭奪了未來信息革命的戰略制高點。”拓撲絕緣體領域的開創者之一、清華大學“千人計劃”教授張首晟說。 |
