量子反?；魻栃闹匾约翱蒲袣v史和研究過程

量子霍爾效應，于1980年被德國科學家發(fā)現(xiàn)，是整個凝聚態(tài)物理領域中最重要、最基本的量子效應之一。它的應用前景非常廣泛。

在凝聚態(tài)物理領域，量子霍爾效應研究是一個非常重要的研究方向。量子反?；魻栃煌诹孔踊魻栃灰蕾囉趶姶艌龆刹牧媳旧淼淖园l(fā)磁化產生。在零磁場中就可以實現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。自1988年開始，就不斷有理論物理學家提出各種方案，然而在實驗上沒有取得任何進展。2013年，由清華大學薛其坤院士領銜、清華大學物理系和中科院物理研究所組成的實驗團隊從實驗上首次觀測到量子反?；魻栃?。美國《科學》雜志于2013年3月14日在線發(fā)表這一研究成果。

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的軌道、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，讓它們在各自的跑道上“一往無前”地前進。“這就好比一輛高級跑車，常態(tài)下是在擁擠的農貿市場上前進，而在量子霍爾效應下，則可以在‘各行其道、互不干擾’的高速路上前進?！?/span>

然而，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。”而量子反?；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)，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。

重要性

1、由于它們體現(xiàn)了二維電子系統(tǒng)在低溫強磁場的極端條件下的奇妙量子行為；

2、這些效應可能在未來電子器件中發(fā)揮特殊的作用，可用于制備低能耗的高速電子器件。

科研歷史

理論計算得到的磁性拓撲絕緣體多層膜的能帶結構和相應的霍爾電導。

“量子反?；魻栃笔嵌嗄陙碓擃I域的一個非常困難的重大挑戰(zhàn)，它與已知的量子霍爾效應具有完全不同的物理本質，是一種全新的量子效應；同時它的實現(xiàn)也更加困難，需要精準的材料設計、制備與調控。

1988年，美國物理學家霍爾丹提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，但是多年來一直未能找到能實現(xiàn)這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。

2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領的團隊與張首晟教授等合作，從理論與材料設計上取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓撲絕緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機制，能形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體，是實現(xiàn)量子反?；魻栃淖罴洋w系[Science，329, 61（2010）]。他們的計算表明，這種磁性拓撲絕緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強度下，即處在“量子反?；魻栃睉B(tài)。該理論與材料設計的突破引起了國際上的廣泛興趣，許多世界頂級實驗室都爭相投入到這場競爭中來，沿著這個思路尋找量子反常霍爾效應。

研究過程

自1988年開始，就不斷有理論物理學家提出各種方案，然而在實驗上沒有取得任何進展。2006年, 美國斯坦福大學張首晟教授領導的理論組成功地預言了二維拓撲絕緣體中的量子自旋霍爾效應，并于2008年指出了在磁性摻雜的拓撲絕緣體中實現(xiàn)量子反?；魻栃男路较?。2010年，我國理論物理學家方忠、戴希等與張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓撲絕緣體有可能是實現(xiàn)量子化反?；魻栃淖罴洋w系。這個方案引起了國際學術界的廣泛關注。德國、美國、日本等有多個世界一流的研究組沿著這個思路在實驗上尋找量子反常霍爾效應，但一直沒有取得突破。

首次觀測

介紹

薛其坤團隊經過近4年的研究，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?。

意義

中國科學家領銜的團隊首次在實驗上發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?。這一發(fā)現(xiàn)或將對信息技術進步產生重大影響。

在美國物理學家霍爾1880年發(fā)現(xiàn)反?；魻栃?/span>133年后，終于實現(xiàn)了反?；魻栃牧孔踊?，這一發(fā)現(xiàn)是相關領域的重大突破，也是世界基礎研究領域的一項重要科學發(fā)現(xiàn)。

由于人們有可能利用量子霍爾效應發(fā)展新一代低能耗晶體管和電子學器件，這將克服電腦的發(fā)熱和能量耗散問題，從而有可能推動信息技術的進步。然而，普通量子霍爾效應的產生需要用到非常強的磁場，因此應用起來將非常昂貴和困難。但量子反?；魻栃暮锰幵谟诓恍枰魏瓮饧哟艌?，這項研究成果將推動新一代低能耗晶體管和電子學器件的發(fā)展，可能加速推進信息技術革命進程。

美國科學家霍爾分別于1879年和1880年發(fā)現(xiàn)霍爾效應和反?；魻栃?。1980年，德國科學家馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應，1982年，美國科學家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應，這兩項成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎。

突破

由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學、中科院物理所和斯坦福大學研究人員聯(lián)合組成的團隊在量子反常霍爾效應研究中取得重大突破，他們從實驗中首次觀測到量子反常霍爾效應，這是中國科學家從實驗中獨立觀測到的一個重要物理現(xiàn)象，也是物理學領域基礎研究的一項重要科學發(fā)現(xiàn)。