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量子反常霍尔效应,对普通人来说,拗口而晦涩。但在物理学家眼中,它''神奇''又''美妙''。因为它的发现可能带来下一次信息技术革命。采用这种技术设计集成电路和元器件,千亿次的超级计算机有望做成平板电脑那么大,智能手机的内存可能会提高上千倍！
那么什么是量子反常霍尔效应？它到底有多反常？对它的研究为什么引起世界各国科学家的兴趣？ 量子霍尔效应：电子运动的“交通规则”
如果在垂直于电流方向加上外磁场，材料里的电子由于磁场的作用力，会在导体一边形成积累电荷，最终会达到平衡形成稳定的霍尔电压。 当外场足够强，温度足够低时，导体中间的电子会在原地打转，会在边界上形成不易被外界干扰的半圆形导电通道，即量子霍尔效应。量子霍尔效应可以让电子在各自的跑道上“一往无前”地运动，降低能量损耗。 （图片来源：http://www.） 量子霍尔效应在凝聚态物理的研究中占据着极其重要的地位。它就像一个富矿，一代又一代科学家为之着迷和献身，整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、半整数量子霍尔效应相继获得诺贝尔奖。 但是，在量子霍尔效应家族里，一个神秘成员是“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应，迟迟没有被人发现。 世界级难题 由中国团队攻克 长时间使用计算机时，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题，这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道，它们相互碰撞从而发生能量损耗。量子霍尔效应的发现，为我们突破摩尔定律和集成电路的发展提供了一个全新的原理。这是物理学基本研究为未来工业界发展提供的崭新道路。 但它的产生需要非常强的磁场，相当于外加10个计算机大的磁铁，这样体积庞大且价格昂贵，显然不适合个人电脑和便携式计算机。而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，即可实现电子的有序运动，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。 （图片来源：http://qianyan./kjqy_zt/innoexpo2014/gclzhexy/index.html） 2010年左右，包括中国华人物理学家张首晟教授在内的科学家，在理论上预言了一种叫做拓扑绝缘体的新的材料，拓扑绝缘体就是内部绝缘、表面导电的拓扑材料，这些表面导电通道不受表面形貌、非磁杂质等的影响，所以是很好的一维导体。如果在其中掺入磁性原子形成长程铁磁序，这样无需外加磁场，就能形成稳定的基本没有耗散的量子反常霍尔效应。
（图片来源：https://upload-images./upload_images/3390801-9d68ccd2108f9fc4.jpg） 量子反常霍尔效应对材料性质的要求非常苛刻，如同要求一个人同时具有短跑运动员速度、篮球运动员高度和体操运动员灵巧：材料能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态；材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应；材料体内必须为绝缘态从而只有一维边缘态参与导电。在实际材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度，而要同时满足这三点对实验物理学家来讲更是巨大挑战，正因为此，美国、德国、日本等科学家未取得最后成功。
（图片来源：《科学》（Science）杂志） |
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