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(chēng)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(guān)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(lái)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(wèn)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(wú)規(guī)則碰撞導(dǎo)致的發(fā)熱和能量損耗。通過(guò)密度集成，將來(lái)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(lái)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(shuō)，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(guò)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?zhuān)孔踊魻栃?yīng)就定義一個(gè)規(guī)則：原來(lái)電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中碰到雜質(zhì)，能被反射回來(lái)。而現(xiàn)在不再反射回來(lái)，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(méi)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(méi)有意義。”而量子反常霍爾效應(yīng)，就是在無(wú)磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)的，將推動(dòng)未來(lái)無(wú)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(guān)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(wú)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(guò)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(wèn)題。這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動(dòng)沒(méi)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(chē)，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(méi)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(shuō)。 量子霍爾效應(yīng)能解決電子碰撞發(fā)熱的問(wèn)題，因而在未來(lái)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(shuō)。 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(guò)密度集成，將來(lái)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(guān)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(lái)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(lái)信息革命的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。”拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)者之一、清華大學(xué)“千人計(jì)劃”教授張首晟說(shuō)。 |
