不明觉厉?5分钟带你了解量子反常霍尔效应

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“量子反常霍尔效应的实验发现”今天获得国家科技奖自然科学奖唯一的一等奖,对这一成果不明觉厉?其实它与日常生活密切相关。

出品 | 网易新闻

撰稿 | 史文慧

2019年1月8日上午,一年一度的国家科学技术奖励大会在人民大会堂开幕,会上揭晓了2018年度国家最高科学技术奖以及“国家三大奖”——国家自然科学奖、国家技术发明奖和国家科学技术进步奖。

薛其坤院士团队的“量子反常霍尔效应的实验发现”获得国家自然科学奖中的唯一一个一等奖。

量子反常霍尔效应究竟是啥?

第一眼看到“量子反常霍尔效应”这个词,是不是有种不明觉厉的感觉?其实,它和我们的日常生活密切相关。

生活中,我们用到的电器,如计算机、笔记本电脑、手机等,因为发热以及电阻的存在等原因,在工作过程中总会存在一定的能量损耗,无法发挥最大的效率。这些电器都是由电子器件组成的,电子器件的运行要依靠电子来完成,而之所以会产生能量损耗,从微观的视角来看,其实是因为电子在电子器件中进行着杂乱无序的运动。

既然电子器件的能耗是电子无序运动导致的,那么如果可以让电子的运动像高速路上的汽车一样,各行其道互不干扰,岂不就可以提高效率、降低能耗了?科学家们也是这么想的。

自19世纪80年代美国物理学家霍尔(Edwin Herbert Hall,1855-1938)发现霍尔效应和反常霍尔效应后,各国的科学家一直在努力寻找能够让电子有序运动的办法。

“利用量子反常霍尔效应原理后,电子就可以变得非常有序”,“所以,(量子反常霍尔效应)是提供降低电子器件能耗的一个重要物理学原理”。中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤此前接受网易新闻专访时这样解释道。

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它是如何被发现的?

道理已经清楚了,可是,量子反常霍尔效应毕竟只是理论物理学家提出的一种假说,在现实世界中真的可以做到吗?

霍尔效应已经切切实实应用在了生活的许多方面,一些空调元件、汽车的里程表和速度表以及各种开关都有霍尔效应的身影。量子霍尔效应也已经于上个世纪在实验上得以发现,并先后两次拿下诺贝尔物理学奖。

然而,量子的反常霍尔效应却迟迟没有取得突破,成为凝聚态物理学家关注的焦点。

根据清华大学的介绍,2006年,张首晟团队预言了一类叫拓扑绝缘体的材料,并在2008年与清华大学、中科院物理所的合作伙伴们一起提出了在拓扑绝缘体中引入磁性将有可能实现量子反常霍尔效应的理论,这成为了一个可能的突破口。

绝缘体我们都比较熟悉,它们是一类不容易导电的物质,而拓扑绝缘体和传统意义上的“金属”与“绝缘体”都不同,它是一种内部绝缘、界面导电的材料。2008年10月15日,薛其坤在课题组例行组会上听到一位博士生关于拓扑绝缘体的概念以及相关研究成果的介绍,与学生们进一步讨论后,薛其坤决定开始拓扑绝缘体研究,通过实验来验证假说。

量子反常霍尔效应的实验条件非常苛刻,需要同时满足三个条件:材料的电子结构必须具有独特的拓扑特性;材料必须具有长程铁磁序;材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献。

实验用到的仪器也十分复杂,一个小配件碰坏了就有可能导致整个仪器瘫痪。而如果损坏的零配件自己无法修复,在国内又无法买到,还需要耗费几个月时间从国外进货。

经过4年的尝试,实验终于取得了突破,2012年12月8日,薛其坤团队与中科院物理所团队合作,在实验中观测到了量子反常霍尔效应。

还有哪些需要攻克的难点?

量子反常霍尔效应在实验中被验证了,但摆在科学家面前的难题才刚刚开始,要想让量子反常霍尔效应应用于实际,就必须解决实验条件苛刻的问题。

虽然实现量子反常霍尔效应的温度已经从原来的比绝对零度高0.03度提高到了比绝对零度高0.3度,但这个实现温度仍旧极低,这不仅阻碍了进一步研究,也让其走向实际应用带来挑战。

另外,此前是在一个量子反常霍尔效应层完成实验,这相当于只有一条电子运行的高速公路,而要想增强材料的导电能力,就需要建立量子反常霍尔效应的多层结构。如何形成一个多层结构并且让各层之间不受彼此干扰地正常运转,科学家们还有很长的路要走。

(文中部分资料来源于清华大学公众号)

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