量子霍爾效應(yīng)：電子運(yùn)動的“交通規(guī)則”

量子反?；魻栃?yīng),對普通人來說,拗口而晦澀。但在物理學(xué)家眼中,它"神奇"又"美妙"。因?yàn)樗陌l(fā)現(xiàn)可能帶來下一次信息技術(shù)革命。采用這種技術(shù)設(shè)計(jì)集成電路和元器件,千億次的超級計(jì)算機(jī)有望做成平板電腦那么大,智能手機(jī)的內(nèi)存可能會提高上千倍！

（圖片來源：視覺中國）

那么什么是量子反?；魻栃?yīng)？它到底有多反常？對它的研究為什么引起世界各國科學(xué)家的興趣？

量子霍爾效應(yīng)：電子運(yùn)動的“交通規(guī)則”

在普通導(dǎo)體中，電子的運(yùn)動軌跡雜亂無章，不斷發(fā)生碰撞。當(dāng)在導(dǎo)體兩端加上電極之后，電子就會形成橫向漂移的穩(wěn)定電流。而電流在傳輸中會存在能量損耗的現(xiàn)象。

如果在垂直于電流方向加上外磁場，材料里的電子由于磁場的作用力，會在導(dǎo)體一邊形成積累電荷，最終會達(dá)到平衡形成穩(wěn)定的霍爾電壓。

當(dāng)外場足夠強(qiáng)，溫度足夠低時，導(dǎo)體中間的電子會在原地打轉(zhuǎn)，會在邊界上形成不易被外界干擾的半圓形導(dǎo)電通道，即量子霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)可以讓電子在各自的跑道上“一往無前”地運(yùn)動，降低能量損耗。

（圖片來源：http://www.tsinghua.edu.cn）

量子霍爾效應(yīng)在凝聚態(tài)物理的研究中占據(jù)著極其重要的地位。它就像一個富礦，一代又一代科學(xué)家為之著迷和獻(xiàn)身，整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)相繼獲得諾貝爾獎。

但是，在量子霍爾效應(yīng)家族里，一個神秘成員是“量子反常霍爾效應(yīng)”——不需要外加磁場的量子霍爾效應(yīng)，遲遲沒有被人發(fā)現(xiàn)。

世界級難題 由中國團(tuán)隊(duì)攻克

長時間使用計(jì)算機(jī)時，會遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題，這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動沒有特定的軌道，它們相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為我們突破摩爾定律和集成電路的發(fā)展提供了一個全新的原理。這是物理學(xué)基本研究為未來工業(yè)界發(fā)展提供的嶄新道路。

但它的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的磁場，相當(dāng)于外加10個計(jì)算機(jī)大的磁鐵，這樣體積龐大且價格昂貴，顯然不適合個人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)。而量子反常霍爾效應(yīng)的美妙之處是不需要任何外加磁場，即可實(shí)現(xiàn)電子的有序運(yùn)動，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小?/p>

（圖片來源：http://qianyan.kepu.cn/kjqy_zt/innoexpo2014/gclzhexy/index.html）

2010年左右，包括中國華人物理學(xué)家張首晟教授在內(nèi)的科學(xué)家，在理論上預(yù)言了一種叫做拓?fù)浣^緣體的新的材料，拓?fù)浣^緣體就是內(nèi)部絕緣、表面導(dǎo)電的拓?fù)洳牧?，這些表面導(dǎo)電通道不受表面形貌、非磁雜質(zhì)等的影響，所以是很好的一維導(dǎo)體。如果在其中摻入磁性原子形成長程鐵磁序，這樣無需外加磁場，就能形成穩(wěn)定的基本沒有耗散的量子反?；魻栃?yīng)。

如何用實(shí)驗(yàn)來證明上述理論呢？用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子反?；魻栃?yīng)的關(guān)鍵是制備出一種像石墨烯那樣，一層一層平整的納米材料。

（圖片來源：https://upload-images.jianshu.io/upload_images/3390801-9d68ccd2108f9fc4.jpg）

量子反?；魻栃?yīng)對材料性質(zhì)的要求非?？量蹋缤笠粋€人同時具有短跑運(yùn)動員速度、籃球運(yùn)動員高度和體操運(yùn)動員靈巧：材料能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦詮亩哂袑?dǎo)電的一維邊緣態(tài)；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反?；魻栃?yīng)；材料體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而只有一維邊緣態(tài)參與導(dǎo)電。在實(shí)際材料中實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都具有相當(dāng)大的難度，而要同時滿足這三點(diǎn)對實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來講更是巨大挑戰(zhàn)，正因?yàn)榇?，美國、德國、日本等科學(xué)家未取得最后成功。

自2009年起，中國科學(xué)院院士薛其坤帶領(lǐng)由中科院物理研究所和清華大學(xué)物理系組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)向量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)發(fā)起沖擊。歷經(jīng)四年努力，團(tuán)隊(duì)生長和測量了1000多個樣品，利用分子束外延的方法生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，將其制備成輸運(yùn)器件，并在極低溫環(huán)境下對其磁電阻和反常霍爾效應(yīng)進(jìn)行了精密測量。終于發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場中的反?；魻栯娮柽_(dá)到了量子霍爾效應(yīng)的特征值，世界難題得以攻克。

（圖片來源：《科學(xué)》（Science）雜志）

美國《科學(xué)》雜志于2013年3月14日在線發(fā)表這一研究成果，引起物理學(xué)界巨大反響，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎得主楊振寧稱贊其是諾貝爾獎級的成績?！斑@是我們團(tuán)隊(duì)精誠合作、聯(lián)合攻關(guān)的共同成果，是中國科學(xué)家的集體榮譽(yù)。”薛其坤院士強(qiáng)調(diào)說。

結(jié)語

量子反常霍爾效應(yīng)可在未來解決摩爾定律的瓶頸問題，若應(yīng)用到電子器件中，有望克服目前計(jì)算機(jī)發(fā)熱耗能等帶來的一系列問題，為半導(dǎo)體工業(yè)帶來又一次的革命，甚至使巨型銀河計(jì)算機(jī)變得像iPad般便攜。它的發(fā)現(xiàn)或?qū)硐乱淮涡畔⒓夹g(shù)革命，我國科學(xué)家為國家爭奪了這場信息革命中的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。