反常霍爾效應

霍效

簡介紹

霍效物理學家霍爾於1879年發現的一個物理效應。在一個通有電流的導體中，如果施加一個垂直於電流方向的磁場，由於洛倫茲力的作用，電子的運動軌跡將產生偏轉，從而在垂直於電流和磁場方向的導體兩端產生電壓，這個電磁輸運現象就是著名的霍爾效應。產生的橫向電壓被稱為霍爾電壓，霍爾電壓與施加的電流之比則被稱為霍爾電阻。由於洛倫茲力的大小與磁場成正比，所以霍爾電阻也與磁場成線性變化關係。

物理定義

當電流垂直於外磁場通過導體時，在導體的垂直於磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電勢差，這一現象就是霍爾效應。這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。

重要性

據介紹，量子霍爾效應的重要性在於它可能在未來電子器件中發揮特殊的作用，用於製備低能耗的高速電子器件，從而推動信息技術的進步。然而，由於普通量子霍爾效應的產生需要用到非常強的磁場(通常需要的磁場強度是地磁場的幾萬倍甚至幾十萬倍)，應用起來十分昂貴和困難；而且其體積龐大(衣櫃大小)也不適合於個人電腦和攜帶型計算機。

反常霍爾效應

簡要介紹

磁場並不是霍爾效應的必要條件。在發現霍爾效應以後人們發現了電流和磁矩之間的自旋軌道耦合相互作用也可以導致的霍爾效應。只要破壞時間反演對稱性這種霍爾效應就可以存在，稱為反常霍爾效應。

美妙之處

量子反常霍爾效應的最美妙之處就在於不需要任何外加磁場，人類有可能利用其無耗散的邊緣態發展新一代的低能耗晶體管和電子學器件，從而解決電腦發熱問題和摩爾定律的瓶頸問題，因此，這項研究成果將會推動新一代的低能耗晶體管和電子學器件的發展，可能加速推進信息技術革命的進程。

但反常霍爾效應的量子化對材料性質的要求非常苛刻，如同要求一個人同時具有短跑運動員速度、籃球運動員高度和體操運動員靈巧：材料能帶結構必須具有拓撲特性從而具有導電的一維邊緣態；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反常霍爾效應；材料體內必須為絕緣態從而只有一維邊緣態參與導電。在實際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更是巨大挑戰，正因為此，美國、德國、日本等科學家未取得最後成功。

中國首次發現

被視作“有可能是量子霍爾效應家族最後一個重要成員”的量子反常霍爾效應，被中國科學家首次在實驗上獨立觀測到。2013年3月16日凌晨，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的研究人員聯合組成的團隊，歷時4年完成的研究報告在《科學》雜誌在線發表。這項被3名匿名評審人給予高度評價的成果，是在美國物理學家霍爾於1880年發現反常霍爾效應133年後，首次實現的反常霍爾效應的量子化，也因此被視作“世界基礎研究領域的一項重要科學發現”。

作為微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的完美體現，量子霍爾效應一直在凝聚態物理研究中佔據著極其重要的地位。自美國科學家霍爾分別於1879年和1880年發現霍爾效應和反常霍爾效應之後，不少科學家憑藉在此領域的重要發現斬獲大獎。1980年，德國科學家馮・克利青發現整數量子霍爾效應，於1985年獲得諾貝爾物理學獎。1982年，美籍華裔物理學家崔琦、德國物理學家施特默等發現了分數量子霍爾效應，這個效應不久由另一位美國物理學家勞弗林給出理論解釋，三人共同分享了1998年諾貝爾物理獎。

而此次中國科學家發現的量子反常霍爾效應因為不需要外加磁場，成為多年來該領域一個非常困難的重大挑戰。首先，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；其次，它的實現也更加困難，需要精準的材料設計、製備與調控。因此，這項全新突破也被視作“有可能是量子霍爾效應家族的最後一個重要成員”。

自2009年起，清華大學薛其坤院士帶領團隊向量子反常霍爾效應的實驗實現發起衝擊。截止到2013年的四年來，團隊生長和測量了1000多個樣品，利用分子束外延的方法生長了高質量的磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜，將其製備成輸運器件並在極低溫環境下對其磁電阻和反常霍爾效應進行了精密測量。終於發現在一定的外加柵極電壓範圍內，此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應的特徵值h/e2~25800歐姆世界難題得以攻克。

“這是我們團隊精誠合作、聯合攻關的共同成果，是中國科學家的集體榮譽。”薛其坤院士強調說。