中國(guó)科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)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(jiǎng)得主楊振寧昨日稱贊這項(xiàng)科研成果是“諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)”的成績(jī)。 昨天,清華大學(xué)和中國(guó)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(guó)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(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)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(gè)有待實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的成員。 為了實(shí)現(xiàn)這一基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的重大突破,中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)整整花了四年時(shí)間。4年間,薛其坤和他的團(tuán)隊(duì)測(cè)試了1000多個(gè)樣本,在極其嚴(yán)格的要求下完成了這一實(shí)驗(yàn)。 影響 未來電腦或不再需散熱器 這項(xiàng)研究成果的長(zhǎng)遠(yuǎn)意義在于將推動(dòng)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(huì),半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展,但電腦運(yùn)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(gè)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(chǎng)的情況下,按照固定軌跡運(yùn)動(dòng),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(jì)算機(jī)的體積也將大大縮小,千億次的超級(jí)計(jì)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(shí)驗(yàn)室到實(shí)際應(yīng)用,要走的道路還很長(zhǎng)。為此次實(shí)驗(yàn)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(jì)劃”教授張首晟說,要將這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成果在實(shí)際中予以應(yīng)用,還需要實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)條件下的超低溫到高溫的過程,他對(duì)這個(gè)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(gè)規(guī)則:原來電子在運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了非常低的能耗。但是量子霍爾效應(yīng)一直沒有實(shí)際應(yīng)用,原因之一就是要實(shí)現(xiàn)霍爾效應(yīng)需要加一個(gè)非常大的磁場(chǎng),“一個(gè)小芯片為了低能耗的概念,需要外加一個(gè)比十個(gè)計(jì)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(chǎng)中實(shí)現(xiàn)的,將推動(dòng)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(chǎng)也可以觀測(cè)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(chǎng)中實(shí)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)。 雖然對(duì)獲諾貝爾獎(jiǎng)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(huì)同意這(實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng))是一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的成果……過去人們總認(rèn)為中國(guó)人不善于做實(shí)驗(yàn),只會(huì)搞理論,其實(shí)中國(guó)已有世界一流實(shí)驗(yàn)室,加上中國(guó)人的勤奮和團(tuán)隊(duì)合作精神,是能夠做出一流的實(shí)驗(yàn)的。 要了解量子反常霍爾效應(yīng),必須先認(rèn)識(shí)量子霍爾效應(yīng)。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子,我們使用計(jì)算機(jī)的時(shí)候,會(huì)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(dòng)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(duì)電子的運(yùn)動(dòng)制定一個(gè)規(guī)則,讓它們?cè)诟髯缘呐艿郎锨斑M(jìn),就好比一輛高級(jí)跑車,常態(tài)下是在擁擠的農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)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(jì)算、量子信息存儲(chǔ)方面具有巨大的應(yīng)用潛力,據(jù)此設(shè)計(jì)新一代大規(guī)模集成電路和元器件,將會(huì)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(chǎng),不但價(jià)格昂貴,而且體積相當(dāng)于一個(gè)衣柜那么大,不適合個(gè)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(chǎng),在零磁場(chǎng)中就可以實(shí)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(dòng)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(jì)算機(jī)的體積也將大大縮小,即使千億次的超級(jí)計(jì)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。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(duì)首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)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(gè)有待實(shí)驗(yàn)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(guó)科學(xué)家為國(guó)家爭(zhēng)奪了未來信息革命的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。”拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域的開創(chuàng)者之一、清華大學(xué)“千人計(jì)劃”教授張首晟說。 |