霍爾效應(yīng)的研究前景

整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的機制已經(jīng)基本清楚，而仍有一些科學(xué)家，如馮·克利青和紐約州立大學(xué)石溪分校的V·J·Goldman，還在做一些分?jǐn)?shù)量子效應(yīng)的研究。一些理論學(xué)家指出分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)中的某些平臺可以構(gòu)成非阿貝爾態(tài)（Non-Abelian States），這可以成為搭建拓撲量子計算機的基礎(chǔ)。

石墨烯中的量子霍爾效應(yīng)與一般的量子霍爾行為大不相同，稱為異常量子霍爾效應(yīng)(Anomalous Quantum Hall Effect)。此外，Hirsh、張首晟等提出自旋量子霍爾效應(yīng)的概念,與之相關(guān)的實驗正在吸引越來越多的關(guān)注。  

中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)

《科學(xué)》雜志在線發(fā)文，宣布中國科學(xué)家領(lǐng)銜的團隊**在實驗上發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。這一發(fā)現(xiàn)或?qū)π畔⒓夹g(shù)進步產(chǎn)生重大影響。

這一發(fā)現(xiàn)由清華大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士薛其坤(原曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院教師）領(lǐng)銜，清華大學(xué)、中國科學(xué)院物理所和斯坦福大學(xué)的研究人員聯(lián)合組成的團隊歷時4年完成。在美國物理學(xué)家霍爾1880年發(fā)現(xiàn)反?；魻栃?yīng)133年后，終于實現(xiàn)了反常霍爾效應(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)域的一項重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

美國科學(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)，這兩項成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

由中國科學(xué)院物理研究所和清華大學(xué)物理系的科研人員組成的聯(lián)合攻關(guān)團隊，經(jīng)過數(shù)年不懈探索和艱苦攻關(guān)，成功實現(xiàn)了“量子反?；魻栃?yīng)”。這是國際上該領(lǐng)域的一項重要科學(xué)突破，該物理效應(yīng)從理論研究到實驗觀測的全過程，都是由我國科學(xué)家獨立完成。

量子霍爾效應(yīng)是整個凝聚態(tài)物理領(lǐng)域*重要、*基本的量子效應(yīng)之一。它是一種典型的宏觀量子效應(yīng)，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個**體現(xiàn)。1980年，德國科學(xué)家馮·克利青(Klaus von Klitzing)發(fā)現(xiàn)了“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”，于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。1982年，美籍華裔物理學(xué)家崔琦(Daniel CheeTsui)、美國物理學(xué)家施特默(Horst L. Stormer)等發(fā)現(xiàn)“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”，不久由美國物理學(xué)家勞弗林(Rober B. Laughlin)給出理論解釋，三人共同獲得1998年諾貝爾物理學(xué)獎。在量子霍爾效應(yīng)家族里，至此仍未被發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)是“量子反?；魻栃?yīng)”——不需要外加磁場的量子霍爾效應(yīng)。

“量子反常霍爾效應(yīng)”是多年來該領(lǐng)域的一個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);同時它的實現(xiàn)也更加困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計、制備與調(diào)控。1988年，美國物理學(xué)家霍爾丹(F. Duncan M. Haldane)提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng)，但是多年來一直未能找到能實現(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)的團隊與張首晟教授等合作，從理論與材料設(shè)計上取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓撲絕緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機制，能形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體，是實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的*佳體系[Science，329, 61(2010)]。他們的計算表明，這種磁性拓撲絕緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強度下，即處在“量子反?；魻栃?yīng)”態(tài)。該理論與材料設(shè)計的突破引起了國際上的廣泛興趣，許多世界**實驗室都爭相投入到這場競爭中來，沿著這個思路尋找量子反?；魻栃?yīng)。

在磁性摻雜的拓撲絕緣體材料中實現(xiàn)“量子反?；魻栃?yīng)”，對材料生長和輸運測量都提出了極高的要求：材料必須具有鐵磁長程有序;鐵磁交換作用必須足夠強以引起能帶反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致拓撲非平庸的帶結(jié)構(gòu);同時體內(nèi)的載流子濃度必須盡可能地低。中科院物理所何珂、呂力、馬旭村、王立莉、方忠、戴希等組成的團隊和清華大學(xué)物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團隊合作攻關(guān)，在這場國際競爭中顯示了雄厚的實力。他們克服了薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關(guān)，一步一步實現(xiàn)了對拓撲絕緣體的電子結(jié)構(gòu)、長程鐵磁序以及能帶拓撲結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，利用分子束外延方法生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運測量裝置上成功地觀測到了“量子反常霍爾效應(yīng)”。該結(jié)果于2013年3月14日在Science上在線發(fā)表，清華大學(xué)和中科院物理所為共同**作者單位。

該成果的獲得是我國科學(xué)家長期積累、協(xié)同**、集體攻關(guān)的一個成功典范。前期，團隊成員已在拓撲絕緣體研究中取得過一系列的進展，研究成果曾入選2010年中國科學(xué)十大進展和中國高校十大科技進展，團隊成員還獲得了2011年“**杰出科學(xué)家獎”、“**杰出科技成就集體獎”和“中國科學(xué)院杰出科技成就獎”，以及2012年“全球華人物理學(xué)會亞洲成就獎”、“陳嘉庚科學(xué)獎”等榮譽。該工作得到了中國科學(xué)院、科技部、國家自然科學(xué)基金委員會和教育部等部門的資助。

量子反?；魻栃?yīng)　將為我們帶來什么

與量子霍爾效應(yīng)相關(guān)的發(fā)現(xiàn)之所以屢獲學(xué)術(shù)大獎，是因為霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要。人類日常生活中常用的很多電子器件都來自霍爾效應(yīng)，僅汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件就包括：信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器等。

此次中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的量子反常霍爾效應(yīng)也具有極高的應(yīng)用前景。量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要用到非常強的磁場，因此至今沒有廣泛應(yīng)用于個人電腦和便攜式計算機上——因為要產(chǎn)生所需的磁場不但價格昂貴，而且體積大概要有衣柜那么大。而反常霍爾效應(yīng)與普通的霍爾效應(yīng)在本質(zhì)上完全不同，因為這里不存在外磁場對電子的洛倫茲力而產(chǎn)生的運動軌道偏轉(zhuǎn)，反常霍爾電導(dǎo)是由于材料本身的自發(fā)磁化而產(chǎn)生的。

如今中國科學(xué)家在實驗上實現(xiàn)了零磁場中的量子霍爾效應(yīng)，就有可能利用其無耗散的邊緣態(tài)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件，從而解決電腦發(fā)熱問題和摩爾定律的瓶頸問題。這些效應(yīng)可能在未來電子器件中發(fā)揮特殊作用：無需高強磁場，就可以制備低能耗的高速電子器件，例如極低能耗的芯片，進而可能促成高容錯的全拓撲量子計算機的誕生——這意味著個人電腦未來可能得以更新?lián)Q代。