中国发现量子反常霍尔效应 超算变平板成为可能

科技这一年

本报记者林莉君

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。

首次从实验中观测到量子反常霍尔效应后，清华大学副校长薛其坤院士和他的团队受到外界广泛关注。

“我们正在努力提高观测量子反常霍尔效应这一物理现象的温度。希望能从原来的零下273摄氏度提升至零下269摄氏度。”薛其坤在接受科技日报记者采访时表示。半年多来，他们一直在为量子反常霍尔效应进一步深入研究和应用奋斗着。薛其坤说：“零下269摄氏度是氦气的液化温度，是一个标志性温度。比如医院的CT工作时就是这个温度。如果能实现这一目标，将为应用打下良好的基础。”

今年3月15日，薛其坤团队的研究成果在线发表于美国《科学》杂志。4月12日，该杂志正式发表这一论文，其“展望”栏目还刊登了题为《完整的量子霍尔家族三重奏》的评论文章。文章表示，中国科学家“证实了期待已久的量子反常霍尔效应的存在，这是量子霍尔家族的最后一位成员”。

凝聚态物理中，量子霍尔效应占据着极其重要的地位。整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的实验发现分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。

要想了解量子反常霍尔效应，必须先认识量子霍尔效应。比如我们使用计算机的时候，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轨道，相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自跑道上“一往无前”。“这就好比一辆跑车，常态下是在拥挤的农贸市场路上行驶，而在量子霍尔效应下，则可以在互不干扰的高速路上前进。”薛其坤打了个形象的比方。

但是量子霍尔效应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，这不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机”，薛其坤说，量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

从美国物理学家霍尔丹1988年提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，到我国科学家为这一预言画上完美句号，中间经过了20多年。课题组成员、中科院物理所副研究员何珂告诉记者：“量子反常霍尔效应实现非常困难，需要精准的材料设计、制备与调控。尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径，但所需的材料和结构非常难以制备，因此在实验上进展缓慢。”

“这就如同要求一个运动员同时具有刘翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的灵巧度。在实际的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是一个巨大的挑战。”课题组成员、清华大学教授王亚愚这样描述实验对材料要求的苛刻程度。


薛其坤团队经过近4年研究，生长测量了1000多个样品。最终，他们利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂（Bi,Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。

对于外界的关注，薛其坤说：“国家越来越重视基础科学研究，我们备受鼓舞。任何一个现象从原理性的发现走到应用，都需要不同领域的科学家和工业界的共同努力。”至于何时能把超级计算机变成平板电脑大小，薛其坤严谨地表示：“这在原理上是可实现的，但需要温度和材料方面都要有重大突破。量子反常霍尔效应的应用潜力非常大，但是将来能不能走向应用，什么时候能应用，是很难预期的。也可能会出现一个意想不到的、更重要的应用。我们将与更多人合作将这个领域研究成果发扬光大，推动它向着应用方向发展。”