中國科學(xué)家首次在實驗中發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。著名物理學(xué)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(xué)和中國科學(xué)院物理研究所在北京聯(lián)合宣布：由清華大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士薛其坤領(lǐng)銜，清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所聯(lián)合組成的實驗團(tuán)隊最近取得重大科研突破，在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體薄膜中，從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應(yīng)，“反常霍爾效應(yīng)”被認(rèn)為可能是量子霍爾效應(yīng)家族最后一個有待實驗發(fā)現(xiàn)的成員。 為了實現(xiàn)這一基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的重大突破，中國科學(xué)家團(tuán)隊整整花了四年時間。4年間，薛其坤和他的團(tuán)隊測試了1000多個樣本，在極其嚴(yán)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(yuǎn)意義在于將推動新一代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)革命進(jìn)程。 據(jù)介紹，在當(dāng)今信息社會，半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展，但電腦運行中熱量如何散發(fā)成為困擾半導(dǎo)體和信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個瓶頸問題。而量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)將有望解決這一難題。科學(xué)家可使電子在不需要強(qiáng)磁場的情況下，按照固定軌跡運動，減少電子無規(guī)則碰撞導(dǎo)致的發(fā)熱和能量損耗。通過密度集成，將來計算機(jī)的體積也將大大縮小，千億次的超級計算機(jī)有望做成現(xiàn)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(yīng)用，要走的道路還很長。為此次實驗發(fā)現(xiàn)提供理論支持的斯坦福大學(xué)教授、清華大學(xué)“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(yīng)用，還需要實現(xiàn)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(yīng)？ 薛其坤解釋，量子霍爾效應(yīng)就定義一個規(guī)則：原來電子在運動過程中碰到雜質(zhì)，能被反射回來。而現(xiàn)在不再反射回來，要按照規(guī)則朝前走，這樣的直接結(jié)果就是實現(xiàn)了非常低的能耗。但是量子霍爾效應(yīng)一直沒有實際應(yīng)用，原因之一就是要實現(xiàn)霍爾效應(yīng)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(jī)還大的磁鐵，顯然從經(jīng)濟(jì)上沒有意義。”而量子反常霍爾效應(yīng)，就是在無磁場中實現(xiàn)的，將推動未來無能耗電子學(xué)的發(fā)展。 反常霍爾效應(yīng)：不加外磁場也可以觀測到霍爾效應(yīng)。 量子霍爾效應(yīng)：霍爾效應(yīng)的量子力學(xué)版本。 量子反常霍爾效應(yīng)：零磁場中實現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)。 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(xué)做研究的人都會同意這（實驗中發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)）是一個諾貝爾獎級的成果……過去人們總認(rèn)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(tuán)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(yīng)，必須先認(rèn)識量子霍爾效應(yīng)。舉一個簡單的例子，我們使用計算機(jī)的時候，會遇到計算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態(tài)下芯片中的電子運動沒有特定的軌道，相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。 “量子霍爾效應(yīng)則可以對電子的運動制定一個規(guī)則，讓它們在各自的跑道上前進(jìn)，就好比一輛高級跑車，常態(tài)下是在擁擠的農(nóng)貿(mào)市場里前進(jìn)，而在量子霍爾效應(yīng)下，則可以在沒有干擾的高速路上前進(jìn)。”清華大學(xué)薛其坤院士形象地說。 量子霍爾效應(yīng)能解決電子碰撞發(fā)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(yīng)用潛力，據(jù)此設(shè)計新一代大規(guī)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(yīng)的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的磁場，不但價格昂貴，而且體積相當(dāng)于一個衣柜那么大，不適合個人電腦和便攜式計算機(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，在零磁場中就可以實現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小！毖ζ淅ふf。 科學(xué)家表示，量子反常霍爾效應(yīng)有可能推動新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件發(fā)展，通過密度集成，將來計算機(jī)的體積也將大大縮小，即使千億次的超級計算機(jī)都有望做成現(xiàn)在的平板電腦那么大。 在凝聚態(tài)物理中，量子霍爾效應(yīng)占據(jù)著極其重要的地位。整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的實驗發(fā)現(xiàn)分別于１９８５年和１９９８年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。這次由薛其坤院士領(lǐng)銜、清華大學(xué)和中科院物理研究所聯(lián)合團(tuán)隊首次在實驗上觀測到的量子反常霍爾效應(yīng)，被認(rèn)為可能是量子霍爾效應(yīng)家族最后一個有待實驗發(fā)現(xiàn)的成員。 “量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)可能帶來下一次信息技術(shù)革命，中國科學(xué)家為國家爭奪了未來信息革命的戰(zhàn)略制高點。”拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域的開創(chuàng)者之一、清華大學(xué)“千人計劃”教授張首晟說。 |
