量子反常霍爾效應(yīng)預(yù)示新時(shí)代的來(lái)臨

近期，有關(guān)我國(guó)科學(xué)家，包括清華大學(xué)和中科院物理所的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)日前從實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)的報(bào)道層出不窮，給予的評(píng)價(jià)也是十分高，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者楊振寧說(shuō)是“諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別”的。

那么，首先我們要搞清楚：什么是量子反?；魻栃?yīng)？

舉個(gè)對(duì)比的例子來(lái)簡(jiǎn)單直白的說(shuō)說(shuō)十分專業(yè)的這個(gè)量子反?；魻栃?yīng)的概念。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?ldquo;一往無(wú)前”地前進(jìn)。“這就好比一輛跑車，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?，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。

既然量子反常霍爾效應(yīng)作用如此大，觀測(cè)當(dāng)然是很難的，所以，需要各方協(xié)作、各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的*科學(xué)家合作才能完成，比如理論科學(xué)家、試驗(yàn)科學(xué)家等。2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)與斯坦福大學(xué)的張首晟教授等合作，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)量子反常霍爾效應(yīng)的*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“量子反常霍爾效應(yīng)”態(tài)。該理論與材料設(shè)計(jì)的突破引起了上的廣泛興趣，許多世界*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)。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。zui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?；魻栃?yīng)。

由于量子反?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)，以及接下來(lái)的商業(yè)化，必定會(huì)有層出不窮的新材料問(wèn)世，為我們制造低能耗的高速電子器件、解決芯片、電子元器件發(fā)熱、功耗等問(wèn)題提供*的解決之道，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。

具體到我們的生活中的應(yīng)用上，比如筆記本電腦的芯片發(fā)熱消耗的功率，已經(jīng)為了散熱消耗的功率及風(fēng)扇的噪聲等問(wèn)題，都可以在量子反?；魻栃?yīng)的應(yīng)用中得到解決。工作中在環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備上的應(yīng)用主要是電氣控制及儀表制造材料和工藝上的應(yīng)用，比如高低溫試驗(yàn)箱上的控制器的小型化、集成化將更進(jìn)一步。

所以，這個(gè)量子反常霍爾效應(yīng)現(xiàn)象的觀測(cè)為今后世界新材料的研究提供了方向，相信不久的將來(lái)人類將因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)而受益無(wú)窮。