中國發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?超級計算機變平板成可能

21ic通信網(wǎng)訊，量子反常霍爾效應，對普通人來說，拗口而晦澀。但在物理學家眼中，它“神奇”又“美妙”。因為它的發(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)計集成電路和元器件，千億次的超級計算機有望做成平板電腦那么大，智能手機的內(nèi)存可能會提高上千倍。

首次從實驗中觀測到量子反?；魻栃?，清華大學副校長薛其坤院士和他的團隊受到外界廣泛關(guān)注。

“我們正在努力提高觀測量子反?；魻栃@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記者采訪時表示。半年多來，他們一直在為量子反常霍爾效應進一步深入研究和應用奮斗著。薛其坤說：“零下269攝氏度是氦氣的液化溫度，是一個標志性溫度。比如醫(yī)院的CT工作時就是這個溫度。如果能實現(xiàn)這一目標，將為應用打下良好的基礎(chǔ)。”

今年3月15日，薛其坤團隊的研究成果在線發(fā)表于美國《科學》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，中國科學家“證實了期待已久的量子反?；魻栃拇嬖?，這是量子霍爾家族的最后一位成員”。

凝聚態(tài)物理中，量子霍爾效應占據(jù)著極其重要的地位。整數(shù)量子霍爾效應和分數(shù)量子霍爾效應的實驗發(fā)現(xiàn)分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎。

要想了解量子反常霍爾效應，必須先認識量子霍爾效應。比如我們使用計算機的時候，會遇到計算機發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態(tài)下芯片中的電子運動沒有特定軌道，相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應則可以對電子的運動制定一個規(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，而在量子霍爾效應下，則可以在互不干擾的高速路上前進。”薛其坤打了個形象的比方。

但是量子霍爾效應的產(chǎn)生需要非常強的磁場，“相當于外加10個計算機大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價格昂貴，不適合個人電腦和便攜式計算機”，薛其坤說，量子反?；魻栃拿烂钪幨遣恍枰魏瓮饧哟艌?，在零磁場中就可以實現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小?/p>

從美國物理學家霍爾丹1988年提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，到我國科學家為這一預言畫上完美句號，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：“量子反常霍爾效應實現(xiàn)非常困難，需要精準的材料設(shè)計、制備與調(diào)控。盡管多年來各國科學家提出幾種不同的實現(xiàn)途徑，但所需的材料和結(jié)構(gòu)非常難以制備，因此在實驗上進展緩慢。”

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

薛其坤團隊經(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拓撲絕緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反?；魻栃?/p>

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