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量子反常霍尔效应预示新时代的来临
发布日期:2013-04-15      浏览次数:1329

近期,有关我国科学家,包括清华大学和中科院物理所的联合研究团队日前从实验中观测到量子反常霍尔效应的报道层出不穷,给予的评价也是十分高,诺贝尔物理学奖获得者杨振宁说是“诺贝尔奖级别”的。

那么,首先我们要搞清楚:什么是量子反常霍尔效应?

举个对比的例子来简单直白的说说十分专业的这个量子反常霍尔效应的概念。我们使用计算机的时候,会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。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。”

然而,量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场,“相当于外加10个计算机大的磁铁,这不但体积庞大,而且价格昂贵,不适合个人电脑和便携式计算机。”而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场,在零磁场中就可以实现量子霍尔态,更容易应用到人们日常所需的电子器件中,这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊的作用,可用于制备低能耗的高速电子器件。


既然量子反常霍尔效应作用如此大,观测当然是很难的,所以,需要各方协作、各个科学领域的*科学家合作才能完成,比如理论科学家、试验科学家等。2010年,中科院物理所方忠、戴希带领的团队与斯坦福大学的张首晟教授等合作,从理论与材料设计上取得了突破,他们提出Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓扑绝缘体中存在着特殊的V.Vleck铁磁交换机制,能形成稳定的铁磁绝缘体,是实现量子反常霍尔效应的zui佳体系[Science,329, 61(2010)]。他们的计算表明,这种磁性拓扑绝缘体多层膜在一定的厚度和磁交换强度下,即处在“量子反常霍尔效应”态。该理论与材料设计的突破引起了国际上的广泛兴趣,许多世界*实验室都争相投入到这场竞争中来,沿着这个思路寻找量子反常霍尔效应。薛其坤团队经过近4年的研究,生长测量了1000多个样品。zui终,他们利用分子束外延方法,生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。


由于量子反常霍尔效应的发现,以及接下来的商业化,必定会有层出不穷的新材料问世,为我们制造低能耗的高速电子器件、解决芯片、电子元器件发热、功耗等问题提供彻底的解决之道,新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术革命进程。

具体到我们的生活中的应用上,比如笔记本电脑的芯片发热消耗的功率,已经为了散热消耗的功率及风扇的噪声等问题,都可以在量子反常霍尔效应的应用中得到解决。工作中在环境试验设备上的应用主要是电气控制及仪表制造材料和工艺上的应用,比如高低温试验箱上的控制器的小型化、集成化将更进一步。

所以,这个量子反常霍尔效应现象的观测为今后世界新材料的研究提供了方向,相信不久的将来人类将因为这个发现而受益无穷。

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