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量子反常霍爾效應多反常?將帶來下一次信息技術革命

2019年01月08日 11:33來源:未知手機版

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來源:科學大院

量子反常霍爾效應,對普通人來說,拗口而晦澀。但在物理學家眼中,它“神奇”又“美妙”。因為它的發現可能帶來下一次信息技術革命。采用這種技術設計集成電路和元器件,千億次的超級計算機有望做成平板電腦那么大,智能手機的內存可能會提高上千倍!

那么什么是量子反常霍爾效應?它到底有多反常?對它的研究為什么引起世界各國科學家的興趣?

量子霍爾效應:電子運動的“交通規則”

在普通導體中,電子的運動軌跡雜亂無章,不斷發生碰撞。當在導體兩端加上電極之后,電子就會形成橫向漂移的穩定電流。而電流在傳輸中會存在能量損耗的現象。

如果在垂直于電流方向加上外磁場,材料里的電子由于磁場的作用力,會在導體一邊形成積累電荷,最終會達到平衡形成穩定的霍爾電壓。

當外場足夠強,溫度足夠低時,導體中間的電子會在原地打轉,會在邊界上形成不易被外界干擾的半圓形導電通道,即量子霍爾效應。量子霍爾效應可以讓電子在各自的跑道上“一往無前”地運動,降低能量損耗。

(圖片來源:http://www.tsinghua.edu.cn)

量子霍爾效應在凝聚態物理的研究中占據著極其重要的地位。它就像一個富礦,一代又一代科學家為之著迷和獻身,整數量子霍爾效應、分數量子霍爾效應、半整數量子霍爾效應相繼獲得諾貝爾獎。

但是,在量子霍爾效應家族里,一個神秘成員是“量子反常霍爾效應”——不需要外加磁場的量子霍爾效應,遲遲沒有被人發現。

世界級難題 由中國團隊攻克

長時間使用計算機時,會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題,這是因為常態下芯片中的電子運動沒有特定的軌道,它們相互碰撞從而發生能量損耗。量子霍爾效應的發現,為我們突破摩爾定律和集成電路的發展提供了一個全新的原理。這是物理學基本研究為未來工業界發展提供的嶄新道路。

但它的產生需要非常強的磁場,相當于外加10個計算機大的磁鐵,這樣體積龐大且價格昂貴,顯然不適合個人電腦和便攜式計算機。而量子反常霍爾效應的美妙之處是不需要任何外加磁場,即可實現電子的有序運動,更容易應用到人們日常所需的電子器件中。

2010年左右,包括中國華人物理學家張首晟教授在內的科學家,在理論上預言了一種叫做拓撲絕緣體的新的材料,拓撲絕緣體就是內部絕緣、表面導電的拓撲材料,這些表面導電通道不受表面形貌、非磁雜質等的影響,所以是很好的一維導體。如果在其中摻入磁性原子形成長程鐵磁序,這樣無需外加磁場,就能形成穩定的基本沒有耗散的量子反常霍爾效應。

如何用實驗來證明上述理論呢?用實驗驗證量子反常霍爾效應的關鍵是制備出一種像石墨烯那樣,一層一層平整的納米材料。

量子反常霍爾效應對材料性質的要求非常苛刻,如同要求一個人同時具有短跑運動員速度、籃球運動員高度和體操運動員靈巧:材料能帶結構必須具有拓撲特性從而具有導電的一維邊緣態;材料必須具有長程鐵磁序從而存在反常霍爾效應;材料體內必須為絕緣態從而只有一維邊緣態參與導電。在實際材料中實現以上任何一點都具有相當大的難度,而要同時滿足這三點對實驗物理學家來講更是巨大挑戰,正因為此,美國、德國、日本等科學家未取得最后成功。

自2009年起,中國科學院院士薛其坤帶領由中科院物理研究所和清華大學物理系組成的實驗團隊向量子反常霍爾效應的實驗實現發起沖擊。歷經四年努力,團隊生長和測量了1000多個樣品,利用分子束外延的方法生長出了高質量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜,將其制備成輸運器件,并在極低溫環境下對其磁電阻和反常霍爾效應進行了精密測量。終于發現在一定的外加柵極電壓范圍內,此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應的特征值,世界難題得以攻克。

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