科学发现:反常量子霍尔效应

由清华大学薛其坤院士领衔的中国团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应,3月15日在美国《科学》杂志在线发表。“我认为是从中国的实验室里头第一次做出来了,发表出来了诺贝尔奖级的物理学的论文,这个不只是清华大学、科学院的喜事儿,我认为也是整个国家发展的一个大喜事。”诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授如是评价这次实验成果。
什么是量子反常霍尔效应?薛其坤院士解释说:咱们用一个形象的比喻,计算机芯片里电子的运动几乎可以看成是一个无规律的,从晶体管的电极一端到达另一端的时候,就像从农贸市场的一端到达另一端的时候,把电子比喻成人的话,运动过程中老碰到很多无序的话,它老是要走弯路,走弯路就会造成发热,效率就不高,这是目前晶体管发热的一个重要原因之一。处于量子霍尔态的电子被这个效应定义了一个规则,不像农贸市场的运动非常杂乱了,就像高速公路的汽车一样,按照规则进行。要实现这种量子霍尔效应所需的磁场,是地球地磁场的十万倍甚至上百万倍,要产生这样的磁场需要一个非常大的设备,一般来讲的话是和冰箱那么大,一个计算机的芯片很小,显然这种量子霍尔效应很难得到推广应用。但量子反常霍尔效应的好处在于,不需要任何外加磁场,因此这项研究成果将推动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。
清华大学薛其坤院士的科研团队从实验中首次观测到量子反常霍尔效应,这是中国科学家从实验中独立观测到的一个重要物理现象,也是物理学领域基础研究的一项重要科学发现。
【扩展阅读】
美国物理学家霍尔于1879年在实验中发现,当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差,这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。
在霍尔效应发现约100年后,德国物理学家克利青(Klaus
von Klitzing,1943-
)等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了量子霍尔效应,这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一,克利青因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。之后,美籍华裔物理学家崔琦(Daniel
Chee Tsui,1939-
)和美国物理学家劳克林(Robert
B.Laughlin,1950-
)、施特默(Horst
L. Störmer,1949-
)在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应,这个发现使人们对量子现象的认识更进一步,他们为此获得了1998年的诺贝尔物理学奖。http://s9/mw690/003uENFrgy6FPBFTW1Wd8&690