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弯道突围——量子反常霍尔效应

关键词:物理 清华大学 笔记本电脑 大学 探索   发布时间:2019-07-24 08:00:01

量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域中最重要、最基本的量子效应之一,而由中科院物理所及清华大学物理系联合组成的实验团队从实验上首次观测到的量子反常霍尔效应则堪称“凝聚态物理界一项里程碑式的工作”。

这是中国科学家从实验上独立观测到的一个重要物理效应,也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。那么什么是量子反常霍尔效应呢?这就必须从霍尔效应说起。

“疾驰”的量子霍尔效应

自20世纪以来,已有4个诺贝尔奖与量子霍尔效应直接相关。1980年,德国科学家Klitzing发现了“整数量子霍尔效应”,并于1985年获得诺贝尔物理奖。1982年,美籍华人物理学家崔琦和Stormer等又发现了“分数量子霍尔效应”,不久由美国物理学家Laughlin给出理论解释,他们三人分享了1998年诺贝尔物理奖。

弯道突围——量子反常霍尔效应


量子霍尔效应的应用前景非常广泛,举个最简单的例子:在我们的日常生活中使用计算机的时候,常常会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是由于在正常情况下,电子在器件中的运动是杂乱无章的,电子之间会发生很多碰撞,而造成电子走弯路,从而使电子产品产生更多的能耗而发热。

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。

弯道突围——量子反常霍尔效应

让计算机不再缓慢,对于办公族来讲,量子霍尔效应可算是一个大救星。然而,产生量子霍尔效应需要非常强的磁场,相当于外加10个计算机大的磁铁,不但体积庞大,而且价格昂贵,不适合个人电脑和便携式计算机。有没有更具有普适性的新方法呢?

不同于量子霍尔效应,在量子霍尔效应家族里一个长期未被发现的是“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应。它不但可以用来构建多种新奇拓扑量子物态,并且更容易应用到人们日常所需的电子器件中,是量子霍尔效应在电子学器件中实际应用的关键。

早在1988年,F. D. M. Haldane(霍尔丹,2016年诺贝尔物理学奖获得者)就对量子反常霍尔效应做出了理论预言。然而,量子反常霍尔效应实现非常困难,需要精准的材料设计、制备与调控。这就如同要求一个运动员同时具有刘翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的灵巧度。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度,而要同时满足这三点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战。

因此,尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径,但所需的材料和结构非常难以制备,因此在实验上进展缓慢。

中国科学家的“诺奖级”大发现

观测量子反常霍尔效应不是一件易事,但是中国科学家在探寻之路上挖掘的“宝藏”一直不断震惊科学界。

2010年,物理所方忠、戴希带领的团队与张首晟等合作,从理论上提出是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。该发现获2011年度中国科学院杰出科技成就奖,引起了国际上的广泛兴趣,许多世界顶级实验室都争相沿着这个思路寻找量子反常霍尔效应。

而发表在Science杂志上的研究成果,是由物理所何珂、吕力、马旭村、王立莉、方忠、戴希等组成的团队和清华大学物理系团队合作完成的。清华大学和中国科学院物理所为共同第一作者单位。

弯道突围——量子反常霍尔效应

一位美国知名物理学家曾向课题组发来邮件,“看到你们的结果,我真感觉有些嫉妒。但回过头想起来,这个工作巨大的难度也确实让我们叹为观止”。

美国《科学》杂志的匿名评审则给出了这样的评价,“这篇文章结束了对量子反常霍尔效应多年的探寻,这是一项里程碑式的工作。我祝贺文章作者们在拓扑绝缘体研究中作出的重大突破。”

著名物理学家杨振宁先生表示:“此次成果是从中国的实验室里,第一次发表出诺贝尔奖级的物理学论文,不仅是科学界的喜事,也是整个国家的喜事。”这是一个“诺贝尔奖级的发现”。

中科院物理所提供


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