中国首次发现量子反常霍尔效应 将推动信息化社会

【量子反常霍尔效应】霍尔于1880年发现反常霍尔效应,133年后中国科学家薛其坤,终于实现了反常霍尔效应的量子化。物理诺贝尔奖,很快首次降临中国大陆!

中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队,经过数年不懈探索和艰苦攻关,最近成功实现了“量子反常霍尔效应”。这是国际上该领域的一项重要科学突破,该物理效应从理论研究到实验观测的全过程,都是由我国科学家独立完成。该成果于北京时间3月15日凌晨在美国《科学》杂志在线发表。

四年来,团队生长和测量了1000多个样品,利用分子束外延的方法生长了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜,将其制备成输运器件并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。终于发现在一定的外加栅极电压范围内,此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~25800欧姆世界难题得以攻克。

“这是我们团队精诚合作、联合攻关的共同成果,是中国科学家的集体荣誉。”薛其坤院士强调说。

据了解,量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场,因此,这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术进步的进程。

据介绍,量子霍尔效应的重要性在于它可能在未来电子器件中发挥特殊的作用,用于制备低能耗的高速电子器件,从而推动信息技术的进步。然而,由于普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场(通常需要的磁场强度是地磁场的几万倍甚至几十万倍),应用起来十分昂贵和困难;而且其体积庞大(衣柜大小)也不适合于个人电脑和便携式计算机。

而量子反常霍尔效应的最美妙之处就在于不需要任何外加磁场,人类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,因此,这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术革命的进程。

但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。