中国“诺奖级发现”--量子反常霍尔效应

中国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应。著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁昨日称赞这项科研成果是“诺贝尔奖级”的成绩。

清华大学和中国科学院物理研究所在北京联合宣布：由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队最近取得重大科研突破，在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应，“反常霍尔效应”被认为可能是量子霍尔效应家族最后一个有待实验发现的成员。

为了实现这一基础科学领域的重大突破，中国科学家团队整整花了四年时间。4年间，薛其坤和他的团队测试了1000多个样本，在极其严格的要求下完成了这一实验。

影响

未来电脑或不再需散热器

这项研究成果的长远意义在于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。

据介绍，在当今信息社会，半导体技术飞速发展，但电脑运行中热量如何散发成为困扰半导体和信息产业发展的一个瓶颈问题。而量子反常霍尔效应的发现将有望解决这一难题。科学家可使电子在不需要强磁场的情况下，按照固定轨迹运动，减少电子无规则碰撞导致的发热和能量损耗。通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，千亿次的超级计算机有望做成现在的IPAD那么大，未来电脑也可能不再需要散热器。

由于科研条件等因素制约，从实验室到实际应用，要走的道路还很长。为此次实验发现提供理论支持的斯坦福大学教授、清华大学“千人计划”教授张首晟说，要将这项实验成果在实际中予以应用，还需要实现从实验条件下的超低温到高温的过程，他对这个很有信心。

名词解释

何为量子反常霍尔效应？[page]

薛其坤解释，量子霍尔效应就定义一个规则：原来电子在运动过程中碰到杂质，能被反射回来。而现在不再反射回来，要按照规则朝前走，这样的直接结果就是实现了非常低的能耗。但是量子霍尔效应一直没有实际应用，原因之一就是要实现霍尔效应需要加一个非常大的磁场，“一个小芯片为了低能耗的概念，需要外加一个比十个计算机还大的磁铁，显然从经济上没有意义。”而量子反常霍尔效应，就是在无磁场中实现的，将推动未来无能耗电子学的发展。

反常霍尔效应：不加外磁场也可以观测到霍尔效应。

量子霍尔效应：霍尔效应的量子力学版本。

量子反常霍尔效应：零磁场中实现量子霍尔效应。

虽然对获诺贝尔奖的具体条件无法定义，但我相信99%在前沿物理学做研究的人都会同意这（实验中发现量子反常霍尔效应）是一个诺贝尔奖级的成果……过去人们总认为中国人不善于做实验，只会搞理论，其实中国已有世界一流实验室，加上中国人的勤奋和团队合作精神，是能够做出一流的实验的。

要了解量子反常霍尔效应，必须先认识量子霍尔效应。举一个简单的例子，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。

“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前进，就好比一辆高级跑车，常态下是在拥挤的农贸市场里前进，而在量子霍尔效应下，则可以在没有干扰的高速路上前进。”清华大学薛其坤院士形象地说。

量子霍尔效应能解决电子碰撞发热的问题，因而在未来的量子计算、量子信息存储方面具有巨大的应用潜力，据此设计新一代大规模集成电路和元器件，将会具有极低的能耗。

然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，不但价格昂贵，而且体积相当于一个衣柜那么大，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。”薛其坤说。

科学家表示，量子反常霍尔效应有可能推动新一代低能耗晶体管和电子学器件发展，通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，即使千亿次的超级计算机都有望做成现在的平板电脑那么大。

在凝聚态物理中，量子霍尔效应占据着极其重要的地位。整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的实验发现分别于１９８５年和１９９８年获得诺贝尔物理学奖。这次由薛其坤院士领衔、清华大学和中科院物理研究所联合团队首次在实验上观测到的量子反常霍尔效应，被认为可能是量子霍尔效应家族最后一个有待实验发现的成员。

“量子反常霍尔效应的发现可能带来下一次信息技术革命，中国科学家为国家争夺了未来信息革命的战略制高点。”拓扑绝缘体领域的开创者之一、清华大学“千人计划”教授张首晟说。