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[導讀]21ic通信網訊,量子反?;魻栃?,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)現可能帶來下一次信息技術革命。采用這種技術設計集成電路和元器件,千億次的

21ic通信網訊,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)現可能帶來下一次信息技術革命。采用這種技術設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注。

“我們正在努力提高觀測量子反?;魻栃@一物理現象的溫度。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?;魻栃M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。如果能實現這一目標,將為應用打下良好的基礎。”

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拇嬖冢@是量子霍爾家族的最后一位成員”。

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

要想了解量子反?;魻栃仨毾日J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)下是在擁擠的農貿市場路上行駛,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,量子反常霍爾效應的美妙之處是不需要任何外加磁場,在零磁場中就可以實現量子霍爾態(tài),更容易應用到人們日常所需的電子器件中。

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非常困難,需要精準的材料設計、制備與調控。盡管多年來各國科學家提出幾種不同的實現途徑,但所需的材料和結構非常難以制備,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?。

對于外界的關注,薛其坤說:“國家越來越重視基礎科學研究,我們備受鼓舞。任何一個現象從原理性的發(fā)現走到應用,都需要不同領域的科學家和工業(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,薛其坤嚴謹地表示:“這在原理上是可實現的,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域研究成果發(fā)揚光大,推動它向著應用方向發(fā)展。”

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