论文部分内容阅读
北京时间3月15日凌晨，《科学》杂志在线发文，宣布中国科学家领衔的团队首次在实验上发现量子反常霍尔效应。
这一发现由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学和中国科学院物理所等机构研究人员联合组成的团队历时4年完成。这是相关领域的重大突破，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现，将会推动新一代电子学器件发展。
此发现也被媒体形容为“诺贝尔奖级”的重大成就。因为作为整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一，量子霍尔效应已多次与“诺奖”结缘。此前，整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应的发现者均获诺贝尔物理奖。中国科学家能否凭借该成果问鼎“诺奖”，我们翘首以待。
美国物理学家霍尔1879年发现，如果对位于磁场中的导体施加一个电压，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生的这种现象被称为霍尔效应。
通俗地说，就是导体中有电流时，就有电荷载子在里面移动。而当导体内有磁场时，导体内的电荷载子运动就会受影响，这些电荷载子因此可能就会往某一边靠过去，导体的两侧就会产生电压差。就好比一条路，原本大家是均匀地分布在路面上，往前移动，当有磁场时大家可能会被推到靠路的右边行走，故路（导体）的两侧就会产生电压差，这就是霍尔效应。
1880年霍尔在一个具有铁磁性的金属平板中发现，即使是在没有外加磁场的情况下（或弱外场），也可以观测到霍尔效应。这种铁磁性材料中的霍尔效应后来被称之为反常霍尔效应。虽然反常霍尔效应与正常霍尔效应看起来非常相似，但是其物理本质却有着非常大的差别，因为在没有外磁场的情况下不存在外场对电子的轨道效应。
量子霍尔效应是霍尔效应的量子对应。在正常霍尔效应的基础上，如果外加磁场足够强、温度足够低，材料体内的所有电子都被局域化到了分立的朗道能级上，形成一个完全绝缘的状态。然而这时，材料的边界仍然可以导电，形成一些没有“背散射”的导电通道，也就是不受杂质散射影响的理想导体，从而导致量子霍尔效应的出现。
“量子反常霍尔效应”指的是不需要外加磁场的量子霍尔效应，是多年来该领域的一个非常困难的重大挑战，它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质，是一种全新的量子效应。同时它的实现也更加困难，需要精准的材料设计、制备与调控。
而随着“量子反常霍尔效应”的发现，也让量子霍尔效应家族实现大团圆。
早在1988年，美国物理学家霍尔丹就提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但是多年来一直未找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。
这是因为反常霍尔效应的量子化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挑战巨大，也因此，美国、德国、日本等国科学家未取得最后成功。
2010年中国科学院物理所与清华大学合作，首先从理论与材料设计上取得了突破。研究员提出一种磁性离子掺杂的拓扑绝缘体中存在着特殊的铁磁交换机制，能形成稳定的铁磁绝缘体，是实现“量子反常霍尔效应”的最佳体系。同时，他们的计算还表明，这种磁性拓扑绝缘体多层膜在一定的厚度和磁交换强度下，即处在“量子反常霍尔效应”态。该理论与材料设计的突破引起了国际上的广泛兴趣，许多世界顶级实验室都争相投入到这场竞争中来，沿着这个思路寻找量子反常霍尔效应。
中科院物理所和清华大学物理系组成的团队在这场国际竞争中显示了雄厚的实力。自2009年起，清华大学薛其坤院士带领团队向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。四年来，团队生长和测量了1000多个样品，克服了薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，利用分子束外延方法生长出了高质量的拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”。
自发现之日起，霍尔效应就像一个“富矿”，一代又一代科学家为之着迷。
从霍尔效应的发现到20世纪40年代初期，由于金属材料中的电子浓度很大而霍尔效应十分微弱，所以没有引起人们的重视。虽然早期有科学家用金属铋制成霍尔元件作为磁场传感器，但是由于当时材料匮乏，霍尔效应的研究长期处于停顿状态。
但在霍尔效应发现约100年后，德国物理学家冯·克利青等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了整数量子霍尔效应，这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一，克利青因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。
之后，美籍华裔物理学家崔琦、美国物理学家劳克林和施特默在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应，这个发现使人们对量子现象的认识更进一步，他们凭此获得了1998年的诺贝尔物理学奖。
最近一次与霍尔效应有关的诺贝尔奖是在2010年。2005年，英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，在常温下观察到量子霍尔效应，并于2010年获得诺贝尔物理奖。石墨烯这种“超薄的碳膜”厚度只有0.335纳米，是至今发现的厚度最薄和强度最高的材料。
此外，量子化自旋霍尔效应于2007年被发现，2010年获得欧洲物理奖，2012年获得美国物理学会巴克利奖。
2006年，美国斯坦福大学物理系教授张首晟提出了“量子自旋霍尔效应”，之后被实验证实。这一成果被美国《科学》杂志评为2007年十大科学进展之一。因在“量子自旋霍尔效应”理论预言和实验观测领域的开创性贡献，张首晟与4位欧美科学家共同荣获2010年“欧洲物理奖”，他也是获得该奖项的首位华人科学家，2012年8月，他再次荣获国际理论物理学领域最高奖“狄拉克奖”。
与量子霍尔效应相关的发现之所以屡获学术大奖，是因为霍尔效应在应用技术中特别重要。现在，霍尔效应技术在人类的日常生活中已经得到了广泛应用，仅汽车上应用的霍尔器件就包括了信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器以及各种开关等等。
例如，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而安装在汽车上的许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号，采用功率霍尔开关电路可以有效降低电磁干扰。
此次中国科学家发现的量子反常霍尔效应也具有极高的应用前景。量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场，因此至今没有广泛应用于个人电脑和便携式计算机上——因为要产生所需的磁场不但价格昂贵，而且体积大概需要衣柜那么大。而反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，因为其不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转，它是由于材料本身的自发磁化而产生的。
如今中国科学家在实验上实现了零磁场中的量子霍尔效应，就有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题。这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用：无需高强磁场，就可以制备低能耗的高速电子器件，例如极低能耗的芯片，进而可能促成高容错的全拓扑量子计算机的诞生——这意味着个人电脑未来可能得以更新换代。（本刊综合）※
这一发现由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学和中国科学院物理所等机构研究人员联合组成的团队历时4年完成。这是相关领域的重大突破，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现，将会推动新一代电子学器件发展。
此发现也被媒体形容为“诺贝尔奖级”的重大成就。因为作为整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一，量子霍尔效应已多次与“诺奖”结缘。此前，整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应的发现者均获诺贝尔物理奖。中国科学家能否凭借该成果问鼎“诺奖”，我们翘首以待。
美国物理学家霍尔1879年发现，如果对位于磁场中的导体施加一个电压，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生的这种现象被称为霍尔效应。
通俗地说，就是导体中有电流时，就有电荷载子在里面移动。而当导体内有磁场时，导体内的电荷载子运动就会受影响，这些电荷载子因此可能就会往某一边靠过去，导体的两侧就会产生电压差。就好比一条路，原本大家是均匀地分布在路面上，往前移动，当有磁场时大家可能会被推到靠路的右边行走，故路（导体）的两侧就会产生电压差，这就是霍尔效应。
1880年霍尔在一个具有铁磁性的金属平板中发现，即使是在没有外加磁场的情况下（或弱外场），也可以观测到霍尔效应。这种铁磁性材料中的霍尔效应后来被称之为反常霍尔效应。虽然反常霍尔效应与正常霍尔效应看起来非常相似，但是其物理本质却有着非常大的差别，因为在没有外磁场的情况下不存在外场对电子的轨道效应。
量子霍尔效应是霍尔效应的量子对应。在正常霍尔效应的基础上，如果外加磁场足够强、温度足够低，材料体内的所有电子都被局域化到了分立的朗道能级上，形成一个完全绝缘的状态。然而这时，材料的边界仍然可以导电，形成一些没有“背散射”的导电通道，也就是不受杂质散射影响的理想导体，从而导致量子霍尔效应的出现。
“量子反常霍尔效应”指的是不需要外加磁场的量子霍尔效应，是多年来该领域的一个非常困难的重大挑战，它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质，是一种全新的量子效应。同时它的实现也更加困难，需要精准的材料设计、制备与调控。
而随着“量子反常霍尔效应”的发现，也让量子霍尔效应家族实现大团圆。
早在1988年，美国物理学家霍尔丹就提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但是多年来一直未找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。
这是因为反常霍尔效应的量子化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挑战巨大，也因此，美国、德国、日本等国科学家未取得最后成功。
2010年中国科学院物理所与清华大学合作，首先从理论与材料设计上取得了突破。研究员提出一种磁性离子掺杂的拓扑绝缘体中存在着特殊的铁磁交换机制，能形成稳定的铁磁绝缘体，是实现“量子反常霍尔效应”的最佳体系。同时，他们的计算还表明，这种磁性拓扑绝缘体多层膜在一定的厚度和磁交换强度下，即处在“量子反常霍尔效应”态。该理论与材料设计的突破引起了国际上的广泛兴趣，许多世界顶级实验室都争相投入到这场竞争中来，沿着这个思路寻找量子反常霍尔效应。
中科院物理所和清华大学物理系组成的团队在这场国际竞争中显示了雄厚的实力。自2009年起，清华大学薛其坤院士带领团队向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。四年来，团队生长和测量了1000多个样品，克服了薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，利用分子束外延方法生长出了高质量的拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”。
自发现之日起，霍尔效应就像一个“富矿”，一代又一代科学家为之着迷。
从霍尔效应的发现到20世纪40年代初期，由于金属材料中的电子浓度很大而霍尔效应十分微弱，所以没有引起人们的重视。虽然早期有科学家用金属铋制成霍尔元件作为磁场传感器，但是由于当时材料匮乏，霍尔效应的研究长期处于停顿状态。
但在霍尔效应发现约100年后，德国物理学家冯·克利青等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了整数量子霍尔效应，这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一，克利青因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。
之后，美籍华裔物理学家崔琦、美国物理学家劳克林和施特默在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应，这个发现使人们对量子现象的认识更进一步，他们凭此获得了1998年的诺贝尔物理学奖。
最近一次与霍尔效应有关的诺贝尔奖是在2010年。2005年，英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，在常温下观察到量子霍尔效应，并于2010年获得诺贝尔物理奖。石墨烯这种“超薄的碳膜”厚度只有0.335纳米，是至今发现的厚度最薄和强度最高的材料。
此外，量子化自旋霍尔效应于2007年被发现，2010年获得欧洲物理奖，2012年获得美国物理学会巴克利奖。
2006年，美国斯坦福大学物理系教授张首晟提出了“量子自旋霍尔效应”，之后被实验证实。这一成果被美国《科学》杂志评为2007年十大科学进展之一。因在“量子自旋霍尔效应”理论预言和实验观测领域的开创性贡献，张首晟与4位欧美科学家共同荣获2010年“欧洲物理奖”，他也是获得该奖项的首位华人科学家，2012年8月，他再次荣获国际理论物理学领域最高奖“狄拉克奖”。
与量子霍尔效应相关的发现之所以屡获学术大奖，是因为霍尔效应在应用技术中特别重要。现在，霍尔效应技术在人类的日常生活中已经得到了广泛应用，仅汽车上应用的霍尔器件就包括了信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器以及各种开关等等。
例如，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而安装在汽车上的许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号，采用功率霍尔开关电路可以有效降低电磁干扰。
此次中国科学家发现的量子反常霍尔效应也具有极高的应用前景。量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场，因此至今没有广泛应用于个人电脑和便携式计算机上——因为要产生所需的磁场不但价格昂贵，而且体积大概需要衣柜那么大。而反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，因为其不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转，它是由于材料本身的自发磁化而产生的。
如今中国科学家在实验上实现了零磁场中的量子霍尔效应，就有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题。这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用：无需高强磁场，就可以制备低能耗的高速电子器件，例如极低能耗的芯片，进而可能促成高容错的全拓扑量子计算机的诞生——这意味着个人电脑未来可能得以更新换代。（本刊综合）※