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第84集 量子霍尔效应研究突破新技术

第84集 量子霍尔效应研究突破新技术 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-24   浏览数:
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  2019年1月8日上午,2018年度国家科学技术奖励大会隆重召开。中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤教授领导的清华大学、中科院物理研究所实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”项目,获得本年度国家自然科学奖项中唯一的一等奖。这项发表于2013年的研究工作被称为诞生在国本土实验室的诺奖级重大成果。 

  量子反常霍尔效应,对普通人来说拗口晦涩。但在物理学家眼中神奇美妙。因为这一效应的发现可能带来下一次信息技术变革。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,量子反常霍尔效应到底是一种怎样的物理现象,它的发现为何能引起如此巨大的反响 

  在了解量子反常霍尔效应之前,我们还是要先从经典电磁学中的霍尔效应开始说起。 

  140年前,也就是1879年,美国物理学家霍尔在研究金属的导电机制时,发现了霍尔效应。现在这一经典效应,早已经成为高中物理课本的重要内容。 

  我们先来简单回顾一下课堂上学过的知识。 

  霍尔效应是指,当通过导体的电流与外磁场垂直的时候,导体内的自由电子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一个附加电场,从而在导体的两端产生电势差,也就是电压,这一现象就是霍尔效应,这个电压也被称为霍尔电压。 

  140年的时间里,霍尔效应在电力电子,特别是传感器等领域获得了广泛的应用。现代汽车上,比如汽车速度表及里程表各种用电负载的电流检测及工作状态诊断发动机转速、曲轴角度传感器、抗干扰开关等等,都是应用霍尔效应原理制成的霍尔器件。 

  霍尔效应的概念本身还算容易理解,但是,当它与量子理论结合时又会擦出怎样的火花呢? 

  我们知道,当物理学研究对象本身的维度进入到微观领域时,与我们在宏观世界中的日常经验完全迥异的量子理论,就将掌控各种物理规律。这个时候,若干物理量的连续变化将呈现为间断性变化,体现出量子特征。例如,宏观世界的苹果,有大有小,苹果的大小可以连续变化。而微观世界中的苹果,大小就不是连续变化的了,而是相当于某个基础苹果尺寸的整数倍,不存在其它尺寸的微观苹果。 

  用这个听起来不太确切的例子,想要说明的是,在量子力学的世界中,很多物理量都是某一基础值的整数倍。 

  我们再回过头来继续刚才说到的量子理论与霍尔效应相结合的话题。高中物理知识告诉我们,在无限大均匀平面磁场中,以垂直磁感线方向入射的初速不为零的电子,将做匀速圆周运动。而在经典的霍尔效应导体中,自由电子虽然会在磁场作用下发生偏转,但由于偏转半径很大,尚未完成圆周运动就会堆积在导体一侧。 

  想让自由电子在导体内部完成圆周运动,还需要一个特定的环境:首先要在足够低的温度中,再有一个非常强的外加磁场,在这样的环境下电子的偏转半径就会明显减小,从而可能在导体内部完成圆周运动。 

  这时的导体内部,仿佛存在无数个高速转动的“陀螺”。当外加磁场继续增大,电子的回旋半径会进一步缩小,当它小到与电子本身近似的微观水平时,量子效应就产生了。发生量子霍尔效应时,导体内部电子在原地进行圆周运动,而导体边缘电子就会形成导电通路。 

  量子霍尔效应具有多种神奇而充满魅力的特点,但是它的产生,需要依赖强大的外加磁场条件,所以缺乏实用性。试想一下,如果开发一枚具备量子霍尔效应的超导芯片,虽然它本身具有低发热、高速度等有益特点,但想要维持运转,可能要配备上一台冰箱一样大小的强磁场发生器,这是我们无法接受的。 

  如果找到一种材料,可以不依赖强磁场就能产生量子霍尔效应,那岂不是事半功倍了嘛。没错,这种材料就是大名鼎鼎的拓扑绝缘体。 

  自从2007年面世后,拓扑绝缘体在全世界吸引了堪比石墨烯材料的关注度。薛其坤教授和他的团队正是受这种材料的启发,拓扑绝缘体和铁磁性材料有机结合,实现了低温下无需外加强磁场就能观测到的量子霍尔效应。为了体现区别,这种新的现象被称为量子反常霍尔效应。 

  这一新发现,来自薛其坤研究团队的一次偶然尝试。 

  量子反常霍尔效应实现,有一个特别鲜明的标志。那就是,在零磁场下,当霍尔电阻跳变到约25813欧姆的量子电阻基准时,这种量子现象才被称为量子反常霍尔效应。 

  在以往的实验中,薛其坤研究团队担心几纳米厚的拓扑绝缘体材料,很容易破损,所以会设置一个衬底和一个保护层,并且不断优化。团队成员冯硝说道:“优化完衬底后就有一个明显提升,但后来又到了平台期。感觉无路可走时,决定反其道而行之,看看去除材料保护层会怎样,没想到这样反而获得了显示量子反常霍尔效应迹象的样品。” 

  2012年10月份,一个周五的晚上,团队成员郭明华给大家工作邮箱里发送了刚刚测量好的数据。这个样品的霍尔电阻达到了17000欧姆附近,而纵向电阻出现了小小的下降。这小小的下降很有可能就是量子反常霍尔效应边缘态的贡献。团队成员注意到这一点之后,向薛其坤教授汇报了情况。 

  之所以说只是迹象,是因为当时的实验结果并未达到25813欧姆的标准。但这对实验来已经是一个重大突破,之前从来没有过类似的发现。薛其坤教授形容自己当时的情绪是既兴奋又担心,他说:“全世界很多顶尖实验室都在攻克这个实验,我们不知道谁在做,也不知道他们什么时候能做出来,这些年大家的努力奋斗一定会有回报,天道酬勤。” 

  在接下来的一个半月时间里,研究团队在紧张焦灼中共同奋战,进一步提高样品质量,并与中科院物理所吕力研究组通力合作,对样品进行了30毫开温度下的极低温输运测量,终于在201212月6日,观测到了完美的量子化平台——量子反常霍尔效应被发现了 

  在薛其坤教授看来,科学家的研究是为了建立原理和方法,为了以后研究更加成熟,为了和产业工业结合。所以,如何降低量子反常霍尔效应实现的苛刻条件要求,成为研究团队正在攀登的山峰。 

  几年来,这支队伍一路攀登,一路收获。2015年,团队实现量子反常霍尔效应零电导平台的首次观测;2014、2015年和2017年,团队在磁性掺杂拓扑绝缘体的磁性和输运性质的调控方面取得多次突破……2018年,团队又实现两个重要进展,一是,大幅提高了量子反常霍尔效应观测温度;二是,首次实现量子反常霍尔效应多层结构。团队成员何珂介绍说,目前实现量子反常霍尔效应的温度极低,这不仅阻碍了进一步研究,也给实际应用带来挑战。原来的温度是比绝对零度高0.03度,现在是比绝对零度高0.3度,温度提高了10倍。而量子反常霍尔效应多层结构是指,把实现量子反常霍尔效应的一层薄膜,像搭砖块儿一样‘垒砌’起来。这就像以前只有一条电子运行的高速公路,现在要建设立交桥,进一步增强材料的导电能力。 

  这个听起来不太明显的变动,其实在实验上有相当大的难度。实现一个量子反常霍尔效应层已经非常困难了,要想形成一个多层结构,同时各层之间还能不受彼此干扰地正常运转就难上加难。不过,这也为探索更多新奇的拓扑量子物态,打下了一个非常好的基础。 

  如今,研究团队每天仍然花费大量的时间在实验室中,不断去生长样品、测试,他们都期待能够发现更多有趣的量子物态和量子效应。 

  140年前的物理学家霍尔无法回答经典霍尔效应能做什么。但今天,经典霍尔效应已经融入了我们日常生活中,广泛应用于汽车、家电、手机等行业。量子霍尔效应也提供了一种超高性能电子器件的可能实现的途径。而我国科学家率先发现的量子反常霍尔效应,又进一步摆脱了强磁场的桎梏,有条件实现器件的小型化。或许在不久的未来,会看到更多的实际应用场景,让我们拭目以待。


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