世界級難題由中國團隊攻克

長時間使用計算機時，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，它們相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。量子霍爾效應的發(fā)現(xiàn)，為我們突破摩爾定律和集成電路的發(fā)展提供了一個全新的原理。這是物理學基本研究為未來工業(yè)界發(fā)展提供的嶄新道路。

但它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，這樣體積龐大且價格昂貴，顯然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?，即可實現(xiàn)電子的有序運動，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。

2010年左右，包括中國華人物理學家張首晟教授在內的科學家，在理論上預言了一種叫做拓撲絕緣體的新的材料，拓撲絕緣體就是內部絕緣、表面導電的拓撲材料，這些表面導電通道不受表面形貌、非磁雜質等的影響，所以是很好的一維導體。如果在其中摻入磁性原子形成長程鐵磁序，這樣無需外加磁場，就能形成穩(wěn)定的基本沒有耗散的量子反常霍爾效應。

如何用實驗來證明上述理論呢？用實驗驗證量子反?；魻栃年P鍵是制備出一種像石墨烯那樣，一層一層平整的納米材料。

（圖片來源：https://upload-images.jianshu.io/upload_images/3390801-9d68ccd2108f9fc4.jpg） 量子反常霍爾效應對材料性質的要求非?？量?，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(tài)；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反?；魻栃?；材料體內必須為絕緣態(tài)從而只有一維邊緣態(tài)參與導電。在實際材料中實現(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更是巨大挑戰(zhàn)。

自2009年起，中國科學院院士薛其坤帶領實驗團隊向量子反?；魻栃膶嶒瀸崿F(xiàn)發(fā)起沖擊。歷經(jīng)四年努力，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出了高質量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，將其制備成輸運器件，并在極低溫環(huán)境下對其磁電阻和反?；魻栃M行了精密測量。終于發(fā)現(xiàn)在一定的外加柵極電壓范圍內，此材料在零磁場中的反?；魻栯娮柽_到了量子霍爾效應的特征值，世界難題得以攻克。

（圖片來源：《科學》（Science）雜志）

結語

量子反?；魻栃稍谖磥斫鉀Q摩爾定律的瓶頸問題，若應用到電子器件中，有望克服目前計算機發(fā)熱耗能等帶來的一系列問題，為半導體工業(yè)帶來又一次的革命，甚至使巨型銀河計算機變得更加便攜，它的發(fā)現(xiàn)或將帶來下一次信息技術革命。

編輯：黃飛