量子反常霍爾效應(yīng)的重要性及科研歷史和研究過(guò)程

量子霍爾效應(yīng)，于1980年被德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，是整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中最重要、最基本的量子效應(yīng)之一。它的應(yīng)用前景非常廣泛。

在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，量子霍爾效應(yīng)研究是一個(gè)非常重要的研究方向。量子反?；魻栃?yīng)不同于量子霍爾效應(yīng)，它不依賴于強(qiáng)磁場(chǎng)而由材料本身的自發(fā)磁化產(chǎn)生。在零磁場(chǎng)中就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小Ｗ?/span>1988年開始，就不斷有理論物理學(xué)家提出各種方案，然而在實(shí)驗(yàn)上沒(méi)有取得任何進(jìn)展。2013年，由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜、清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)。美國(guó)《科學(xué)》雜志于2013年3月14日在線發(fā)表這一研究成果。

我們使用計(jì)算機(jī)的時(shí)候，會(huì)遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問(wèn)題。這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動(dòng)沒(méi)有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應(yīng)則可以對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)制定一個(gè)規(guī)則，讓它們?cè)诟髯缘呐艿郎稀耙煌鶡o(wú)前”地前進(jìn)。“這就好比一輛高級(jí)跑車，常態(tài)下是在擁擠的農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)上前進(jìn)，而在量子霍爾效應(yīng)下，則可以在‘各行其道、互不干擾’的高速路上前進(jìn)。”

然而，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，“相當(dāng)于外加10個(gè)計(jì)算機(jī)大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價(jià)格昂貴，不適合個(gè)人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)。”而量子反?；魻栃?yīng)的美妙之處是不需要任何外加磁場(chǎng)，在零磁場(chǎng)中就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小?/span>

重要性

1、由于它們體現(xiàn)了二維電子系統(tǒng)在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)的極端條件下的奇妙量子行為；

2、這些效應(yīng)可能在未來(lái)電子器件中發(fā)揮特殊的作用，可用于制備低能耗的高速電子器件。

科研歷史

理論計(jì)算得到的磁性拓?fù)浣^緣體多層膜的能帶結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的霍爾電導(dǎo)。

“量子反?；魻栃?yīng)”是多年來(lái)該領(lǐng)域的一個(gè)非常困難的重大挑戰(zhàn)，它與已知的量子霍爾效應(yīng)具有完全不同的物理本質(zhì)，是一種全新的量子效應(yīng)；同時(shí)它的實(shí)現(xiàn)也更加困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控。

1988年，美國(guó)物理學(xué)家霍爾丹提出可能存在不需要外磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)，但是多年來(lái)一直未能找到能實(shí)現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)的材料體系和具體物理途徑。

2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)與張首晟教授等合作，從理論與材料設(shè)計(jì)上取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓?fù)浣^緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機(jī)制，能形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體，是實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的最佳體系[Science，329, 61（2010）]。他們的計(jì)算表明，這種磁性拓?fù)浣^緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強(qiáng)度下，即處在“量子反?；魻栃?yīng)”態(tài)。該理論與材料設(shè)計(jì)的突破引起了國(guó)際上的廣泛興趣，許多世界頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室都爭(zhēng)相投入到這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中來(lái)，沿著這個(gè)思路尋找量子反?；魻栃?yīng)。

研究過(guò)程

自1988年開始，就不斷有理論物理學(xué)家提出各種方案，然而在實(shí)驗(yàn)上沒(méi)有取得任何進(jìn)展。2006年, 美國(guó)斯坦福大學(xué)張首晟教授領(lǐng)導(dǎo)的理論組成功地預(yù)言了二維拓?fù)浣^緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng)，并于2008年指出了在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體中實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的新方向。2010年，我國(guó)理論物理學(xué)家方忠、戴希等與張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓?fù)浣^緣體有可能是實(shí)現(xiàn)量子化反常霍爾效應(yīng)的最佳體系。這個(gè)方案引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。德國(guó)、美國(guó)、日本等有多個(gè)世界一流的研究組沿著這個(gè)思路在實(shí)驗(yàn)上尋找量子反常霍爾效應(yīng)，但一直沒(méi)有取得突破。

首次觀測(cè)

介紹

薛其坤團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)近4年的研究，生長(zhǎng)測(cè)量了1000多個(gè)樣品。最終，他們利用分子束外延方法，生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的Cr摻雜（Bi，Sb）2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運(yùn)測(cè)量裝置上成功觀測(cè)到了量子反常霍爾效應(yīng)。

意義

中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)或?qū)?duì)信息技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生重大影響。

在美國(guó)物理學(xué)家霍爾1880年發(fā)現(xiàn)反?；魻栃?yīng)133年后，終于實(shí)現(xiàn)了反?；魻栃?yīng)的量子化，這一發(fā)現(xiàn)是相關(guān)領(lǐng)域的重大突破，也是世界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

由于人們有可能利用量子霍爾效應(yīng)發(fā)展新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件，這將克服電腦的發(fā)熱和能量耗散問(wèn)題，從而有可能推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)步。然而，普通量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要用到非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，因此應(yīng)用起來(lái)將非常昂貴和困難。但量子反?；魻栃?yīng)的好處在于不需要任何外加磁場(chǎng)，這項(xiàng)研究成果將推動(dòng)新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，可能加速推進(jìn)信息技術(shù)革命進(jìn)程。

美國(guó)科學(xué)家霍爾分別于1879年和1880年發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)和反?；魻栃?yīng)。1980年，德國(guó)科學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，1982年，美國(guó)科學(xué)家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，這兩項(xiàng)成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

突破

由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜，清華大學(xué)、中科院物理所和斯坦福大學(xué)研究人員聯(lián)合組成的團(tuán)隊(duì)在量子反常霍爾效應(yīng)研究中取得重大突破，他們從實(shí)驗(yàn)中首次觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)，這是中國(guó)科學(xué)家從實(shí)驗(yàn)中獨(dú)立觀測(cè)到的一個(gè)重要物理現(xiàn)象，也是物理學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的一項(xiàng)重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。