國家自然科學(xué)一等獎 | 量子反?；魻栃?yīng)有多反常？
視頻：沒有賽道的長跑：薛其坤和他的“量子反?；魻栃?yīng)夢之隊”（出品：清華大學(xué)新聞中心）
量子反?；魻栃?yīng)，對普通人來說，拗口而晦澀。但在物理學(xué)家眼中，它“神奇”又“美妙”。因為它的發(fā)現(xiàn)可能帶來下一次信息技術(shù)革命。采用這種技術(shù)設(shè)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(nèi)存可能會提高上千倍！
那么什么是量子反?；魻栃?yīng)？它到底有多反常？對它的研究為什么引起世界各國科學(xué)家的興趣？
量子霍爾效應(yīng)：電子運動的“交通規(guī)則”
在普通導(dǎo)體中，電子的運動軌跡雜亂無章，不斷發(fā)生碰撞。當在導(dǎo)體兩端加上電極之后，電子就會形成橫向漂移的穩(wěn)定電流。而電流在傳輸中會存在能量損耗的現(xiàn)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(dǎo)體一邊形成積累電荷，最終會達到平衡形成穩(wěn)定的霍爾電壓。
當外場足夠強，溫度足夠低時，導(dǎo)體中間的電子會在原地打轉(zhuǎn)，會在邊界上形成不易被外界干擾的半圓形導(dǎo)電通道，即量子霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)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。
（圖源：tsinghua.edu.cn）
量子霍爾效應(yīng)在凝聚態(tài)物理的研究中占據(jù)著極其重要的地位。它就像一個富礦，一代又一代科學(xué)家為之著迷和獻身，整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、分數(shù)量子霍爾效應(yīng)、半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)相繼獲得諾貝爾獎。
但是，在量子霍爾效應(yīng)家族里，一個神秘成員是“量子反常霍爾效應(yīng)”——不需要外加磁場的量子霍爾效應(yīng)，遲遲沒有被人發(fā)現(xiàn)。
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(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題，這是因為常態(tài)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(fā)生能量損耗。量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為我們突破摩爾定律和集成電路的發(fā)展提供了一個全新的原理。這是物理學(xué)基本研究為未來工業(yè)界發(fā)展提供的嶄新道路。
但它的產(chǎn)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(yīng)的美妙之處是不需要任何外加磁場，即可實現(xiàn)電子的有序運動，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷?/span>。
（圖源：qianyan.kepu.cn）
2010年左右，包括中國華人物理學(xué)家張首晟教授在內(nèi)的科學(xué)家，在理論上預(yù)言了一種叫做拓撲絕緣體的新的材料，拓撲絕緣體就是內(nèi)部絕緣、表面導(dǎo)電的拓撲材料，這些表面導(dǎo)電通道不受表面形貌、非磁雜質(zhì)等的影響，所以是很好的一維導(dǎo)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(wěn)定的基本沒有耗散的量子反常霍爾效應(yīng)。
如何用實驗來證明上述理論呢？用實驗驗證量子反?；魻栃?yīng)的關(guān)鍵是制備出一種像石墨烯那樣，一層一層平整的納米材料。
（圖源：upload-images.jianshu.io）
量子反?；魻栃?yīng)對材料性質(zhì)的要求非?？量?，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(jié)構(gòu)必須具有拓撲特性從而具有導(dǎo)電的一維邊緣態(tài)；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反常霍爾效應(yīng)；材料體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而只有一維邊緣態(tài)參與導(dǎo)電。在實際材料中實現(xiàn)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(xué)家來講更是巨大挑戰(zhàn)，正因為此，美國、德國、日本等科學(xué)家未取得最后成功。
自2009年起，中國科學(xué)院院士薛其坤帶領(lǐng)由中科院物理研究所和清華大學(xué)物理系組成的實驗團隊向量子反常霍爾效應(yīng)的實驗實現(xiàn)發(fā)起沖擊。歷經(jīng)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(zhì)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(huán)境下對其磁電阻和反?；魻栃?yīng)進行了精密測量。終于發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應(yīng)的特征值，世界難題得以攻克。
（圖源：《科學(xué)》（Science）雜志）
美國《科學(xué)》雜志于2013年3月14日在線發(fā)表這一研究成果，引起物理學(xué)界巨大反響，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎得主楊振寧稱贊其是諾貝爾獎級的成績?！斑@是我們團隊精誠合作、聯(lián)合攻關(guān)的共同成果，是中國科學(xué)家的集體榮譽?！毖ζ淅ぴ菏繌娬{(diào)說。
結(jié)語
量子反?；魻栃?yīng)可在未來解決摩爾定律的瓶頸問題，若應(yīng)用到電子器件中，有望克服目前計算機發(fā)熱耗能等帶來的一系列問題，為半導(dǎo)體工業(yè)帶來又一次的革命，甚至使巨型銀河計算機變得像iPad般便攜。它的發(fā)現(xiàn)或?qū)硐乱淮涡畔⒓夹g(shù)革命，我國科學(xué)家為國家爭奪了這場信息革命中的戰(zhàn)略制高點。
本文出品自“科學(xué)大院”公眾號（kexuedayuan），轉(zhuǎn)載請注明公眾號出處。
