诺贝尔奖级别 中国首次发现量子反常霍尔效应

 

实验团队领衔者薛其坤院士和曾在该领域获诺奖的华人崔琦

清华大学薛其坤院士发布量子反常霍尔效应实验成果

　　原标题：中国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应

　　中国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应引起国际物理学界巨大反响，着名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁10日称赞其是诺贝尔奖级的成绩。

　　清华大学和中国科学院物理研究所10日在北京联合宣布：由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队最近取得重大科研突破，在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这一实验发现也证实了三年前中科院物理研究所与斯坦福大学理论团队的预言。

　　杨振宁表示，这让他想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话，第一次告诉他在实验室做出了宇称不守恒的实验，这个发现震惊了世界。今天薛其坤及其团队做出的实验成果，是从中国的实验室里第一次做出了诺贝尔奖级的物理学成绩，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。

　　杨振宁说，获诺贝尔奖的具体条件无法定义，但他相信99%在前沿物理学做研究的人都会同意这是一个诺贝尔奖级的成果。过去人们总认为中国人不擅于做实验，仿佛只会搞理论，其实中国已经有世界一流的实验室，加上中国人的勤奋和团队合作精神，是能够做出一流的实验的。

　　美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应。1980年，德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应，1982年，美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应，这两项成果分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。

　　在过去4年间，薛其坤和他的团队测试了1000多个样本，克服重重障碍，才在极其严格的实验要求下完成这一实验。这项研究成果的长远意义在于将推动新一代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进程。(完)

　　新闻背景

　　霍尔效应：诺贝尔奖的富矿

　　霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一个物理效应。在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压，这个电磁输运现象就是着名的霍尔效应。次年，霍尔又在磁性金属中发现了无需外部磁场的霍尔效应，称为反常霍尔效应。

　　从那时起，霍尔效应就像一个富矿，一代又一代科学家为之着迷和献身，他们的成就也多次获得诺贝尔物理奖。

　　1980年左右，德国科学家冯·克利青发现了整数量子霍尔效应，获得1985年诺贝尔物理奖。

　　1982年，美籍华人物理学家崔琦和施特默等发现了分数量子霍尔效应，这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出理论解释，他们三人荣获1998年诺贝尔物理奖。

　　最近一次与霍尔效应有关的诺贝尔奖是2010年的诺贝尔物理奖。2005年，英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，在常温下观察到量子霍尔效应。他们于2010年获诺奖。石墨烯这种“超薄的碳膜”厚度只有0.335纳米，是至今发现的厚度最薄和强度最高的材料。

　　此外，量子化自旋霍尔效应于2007年被发现，2010年获得欧洲物理奖，2012年获得美国物理学会巴克利奖。

　　2013年3月15日，《科学》杂志在线发文，宣布薛其坤院士领衔的团队在实验上首次发现量子反常霍尔效应，而这被认为有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员。（文/本报记者　雷嘉）

　　新闻解释

　　量子反常霍尔效应　将为我们带来什么

　　与量子霍尔效应相关的发现之所以屡获学术大奖，是因为霍尔效应在应用技术中特别重要。人类日常生活中常用的很多电子器件都来自霍尔效应，仅汽车上广泛应用的霍尔器件就包括：信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器等。

　　例如用在汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。因为汽车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而汽车上有许多灯具和电器件在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路就可以减小这些现象。

　　此次中国科学家发现的量子反常霍尔效应也具有极高的应用前景。量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场，因此至今没有广泛应用于个人电脑和便携式计算机上——因为要产生所需的磁场不但价格昂贵，而且体积大概要有衣柜那么大。而反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转，反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的。

　　如今中国科学家在实验上实现了零磁场中的量子霍尔效应，就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。这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用：无需高强磁场，就可以制备低能耗的高速电子器件，例如极低能耗的芯片，进而可能促成高容错的全拓扑量子计算机的诞生——这意味着个人电脑未来可能得以更新换代。（文/北青报记者　雷嘉）