反常霍尔效应_量子反常霍尔效应_霍尔效应 诺贝尔奖

▲量子反常霍尔效应的，拓扑非平庸的能带结构产生具有手征性的边缘态，从而导致量子反常霍尔效应

理论计算得到的磁性拓扑绝缘体多层膜的能带结构和相应的霍尔电导

“这个研究成果是从中国实验室里，第一次发表出来了诺贝尔物理奖级别的论文，这不仅是清华大学、中科院的喜事，也是整个国家发展中喜事。”4月10日，诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授高度评价了我国科学家的重大发现——量子反常霍尔效应。

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研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。反常霍尔效应美国《科学》杂志于3月14日发表这一研究成果。由于此前和量子霍尔效应有关的科研成果已经3获诺贝尔奖，学术界很士对这项“可能是量子霍尔效应家族最后一个重要成员”的研究给予了极高的关注和期望。那么什么是量子反常霍尔效应？对它的研究为什么引起世界各国科学家的兴趣？它的发现有什么重大意义？

重要性

突破摩尔定律瓶颈加速推动信息技术革命进程

在认识量子反常霍尔效应之前，让我们先来了解一下量子霍尔效应。量子霍尔效应，于1980年被德国科学家发现，是整个凝聚态物理领域中重要、最基本的量子效应之一。反常霍尔效应它的应用前景非常广泛。

薛其坤院士举了个简单的例子：我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上“一往无前”地前进。“这就好比一辆高级跑车，常态下是在拥挤的农贸市场上前进，而在量子霍尔效应下，则可以在‘各行其道、互不干扰’的高速路上前进。”薛其坤打了个形象的比喻。

然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，“相当于外加10个计算机大的磁铁，这不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和计算机。”薛其坤说，而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

自1988年开始，就不断有理论物理学家提出各种方案，然而在实验上没有取得任何进展。2006年,美国斯坦福大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向。2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等有多个世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应，但一直没有取得突破。

薛其坤团队经过近4年的研究，生长测量了1000多个样品。最终，他们利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂(Bi，Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。

“量子反常霍尔效应可在未来解决摩尔定律瓶颈问题，它发现或将带来下一次信息技术革命，我国科学家为国家争夺了这场信息革命中的战略制高点。”拓扑绝缘体领域的开创者之一、清华大学“千人计划”张首晟教授说。

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/dianqi/article-35667-1.html