中國發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng) 超算變平板成為可能

量子反常霍爾效應(yīng)，對普通人來說，拗口而晦澀。但在物理學(xué)家眼中，它“神奇”又“美妙”。因?yàn)樗陌l(fā)現(xiàn)可能帶來下一次信息技術(shù)革命。采用這種技術(shù)設(shè)計(jì)集成電路和元器件，千億次的超級計(jì)算機(jī)有望做成平板電腦那么大，智能手機(jī)的內(nèi)存可能會提高上千倍。

首次從實(shí)驗(yàn)中觀測到量子反?；魻栃?yīng)后，清華大學(xué)副校長薛其坤院士和他的團(tuán)隊(duì)受到外界廣泛關(guān)注。

“我們正在努力提高觀測量子反?；魻栃?yīng)這一物理現(xiàn)象的溫度。希望能從原來的零下273攝氏度提升至零下269攝氏度。”薛其坤在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示。半年多來，他們一直在為量子反?；魻栃?yīng)進(jìn)一步深入研究和應(yīng)用奮斗著。薛其坤說：“零下269攝氏度是氦氣的液化溫度，是一個標(biāo)志性溫度。比如醫(yī)院的CT工作時(shí)就是這個溫度。如果能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將為應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。”

今年3月15日，薛其坤團(tuán)隊(duì)的研究成果在線發(fā)表于美國《科學(xué)》雜志。4月12日，該雜志正式發(fā)表這一論文，其“展望”欄目還刊登了題為《完整的量子霍爾家族三重奏》的評論文章。文章表示，中國科學(xué)家“證實(shí)了期待已久的量子反?；魻栃?yīng)的存在，這是量子霍爾家族的最后一位成員”。

凝聚態(tài)物理中，量子霍爾效應(yīng)占據(jù)著極其重要的地位。整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

要想了解量子反?；魻栃?yīng)，必須先認(rèn)識量子霍爾效應(yīng)。比如我們使用計(jì)算機(jī)的時(shí)候，會遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動沒有特定軌道，相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應(yīng)則可以對電子的運(yùn)動制定一個規(guī)則，讓它們在各自跑道上“一往無前”。“這就好比一輛跑車，常態(tài)下是在擁擠的農(nóng)貿(mào)市場路上行駛，而在量子霍爾效應(yīng)下，則可以在互不干擾的高速路上前進(jìn)。”薛其坤打了個形象的比方。

但是量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的磁場，“相當(dāng)于外加10個計(jì)算機(jī)大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價(jià)格昂貴，不適合個人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)”，薛其坤說，量子反?；魻栃?yīng)的美妙之處是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小?/p>

從美國物理學(xué)家霍爾丹1988年提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng)，到我國科學(xué)家為這一預(yù)言畫上完美句號，中間經(jīng)過了20多年。課題組成員、中科院物理所副研究員何珂告訴記者：“量子反?；魻栃?yīng)實(shí)現(xiàn)非常困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控。盡管多年來各國科學(xué)家提出幾種不同的實(shí)現(xiàn)途徑，但所需的材料和結(jié)構(gòu)非常難以制備，因此在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)展緩慢。”

“這就如同要求一個運(yùn)動員同時(shí)具有劉翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的靈巧度。在實(shí)際的材料中實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都具有相當(dāng)大的難度，而要同時(shí)滿足這三點(diǎn)對實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來講是一個巨大的挑戰(zhàn)。”課題組成員、清華大學(xué)教授王亞愚這樣描述實(shí)驗(yàn)對材料要求的苛刻程度。

薛其坤團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近4年研究，生長測量了1000多個樣品。最終，他們利用分子束外延方法，生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運(yùn)測量裝置上成功觀測到了量子反?；魻栃?yīng)。

對于外界的關(guān)注，薛其坤說：“國家越來越重視基礎(chǔ)科學(xué)研究，我們備受鼓舞。任何一個現(xiàn)象從原理性的發(fā)現(xiàn)走到應(yīng)用，都需要不同領(lǐng)域的科學(xué)家和工業(yè)界的共同努力。”至于何時(shí)能把超級計(jì)算機(jī)變成平板電腦大小，薛其坤嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乇硎荆?ldquo;這在原理上是可實(shí)現(xiàn)的，但需要溫度和材料方面都要有重大突破。量子反常霍爾效應(yīng)的應(yīng)用潛力非常大，但是將來能不能走向應(yīng)用，什么時(shí)候能應(yīng)用，是很難預(yù)期的。也可能會出現(xiàn)一個意想不到的、更重要的應(yīng)用。我們將與更多人合作將這個領(lǐng)域研究成果發(fā)揚(yáng)光大，推動它向著應(yīng)用方向發(fā)展。”