量子反?；魻栃?/h1>
2013-04-29 18:40:34武晨
環(huán)球飛行 2013年6期
武晨
4月10日，清華大學召開新聞發(fā)布會，宣布由薛其坤院士領銜的中國團隊首次在實驗中實現(xiàn)量子反?；魻栃撐锢硇獜睦碚撗芯康綄嶒炗^測的全過程，都由我國科學家獨立完成。該成果已經(jīng)于北京時間3月15日凌晨在《科學》雜志在線（Science Express）發(fā)表。楊振寧教授稱這是諾貝爾物理獎級別的成果。
1879年美國物理學家霍爾在一個長方形的導體上發(fā)現(xiàn)，當電流在長度方向流動的時候，如果在導體垂直方向發(fā)現(xiàn)一個磁場，就會在寬度方向產(chǎn)生一個新的電流和電壓，這個就是霍爾效應。
多年來，量子霍爾效應是整個凝聚態(tài)物理領域最重要、最基本的量子效應之一。這是一種典型的宏觀量子效應，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個完美體現(xiàn)。1980年，德國科學家馮·克利青（Klaus Von Klitzing）發(fā)現(xiàn)了“整數(shù)量子霍爾效應”，于1985年獲得諾貝爾物理學獎。1982年，美籍華裔物理學家崔琦（Daniel Chee Tsui）、美國物理學家施特默（Horst L. Stormer）等發(fā)現(xiàn)“分數(shù)量子霍爾效應”，不久由美國物理學家勞弗林（Rober B. Laughlin）給出理論解釋，三人共同獲得1998年諾貝爾物理學獎。在量子霍爾效應家族里，至此仍未被發(fā)現(xiàn)的效應是“量子反?；魻栃薄恍枰饧哟艌龅牧孔踊魻栃?。
“量子反?；魻栃?，即在磁性材料中不外加磁場而產(chǎn)生電流，是多年來該領域的一個非常困難的重大挑戰(zhàn)，其關(guān)鍵在于新性質(zhì)材料的制備，這使得它的實現(xiàn)更加困難，需要精準的材料設計、制備與調(diào)控。1988年，美國物理學家霍爾丹（F. Duncan M. Haldane）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。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。
在磁性摻雜的拓撲絕緣體材料中實現(xiàn)“量子反?；魻栃保瑢Σ牧仙L和輸運測量都提出了極高的要求：材料必須具有鐵磁長程有序；鐵磁交換作用必須足夠強以引起能帶反轉(zhuǎn)，從而導致拓撲非平庸的帶結(jié)構(gòu)；同時體內(nèi)的載流子濃度必須盡可能地低。最近，中科院物理所何珂、呂力、馬旭村、王立莉、方忠、戴希等組成的團隊和清華大學物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團隊合作攻關(guān)，在這場國際競爭中顯示了雄厚的實力。他們克服了薄膜生長、磁性摻雜、門電 壓控制、低溫輸運測量等多道難關(guān)，一步一步實現(xiàn)了對拓撲絕緣體的電子結(jié)構(gòu)、長程鐵磁序以及能帶拓撲結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，利用分子束外延方法生長出了高質(zhì)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地觀測到了“量子反常霍爾效應”。該結(jié)果于2013年3月14日在 Science上在線發(fā)表，清華大學和中科院物理所為共同第一作者單位。
談到這一成果的現(xiàn)實意義，薛其坤院士說：“目前計算機芯片里電子的運動可以看成是無規(guī)律的，從晶體管的電極一端到達另一端的時候，就像從農(nóng)貿(mào)市場的一端到達另一端，運動過程中老碰到很多無序的電子，要走彎路，走彎路就會造成發(fā)熱，這是目前晶體管發(fā)熱的重要原因之一。量子霍爾效應中的電子就不像農(nóng)貿(mào)市場的運動一樣雜亂，而是像高速公路的汽車一樣，按照規(guī)則進行?！?/p>
要實現(xiàn)整數(shù)/分數(shù)量子霍爾效應，所需磁場是地球地磁場的十萬倍甚至上百萬倍，要產(chǎn)生這樣的磁場需要一個非常大的設備，至少要冰箱那么大，一個計算機的芯片很小，顯然這種量子霍爾效應很難得到應用。但量子反?；魻栃暮锰幵谟诓恍枰魏瓮饧哟艌觯虼诉@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(shù)革命進程。
如果今后把材料溫度提高到在日常溫度之下，有可能還會造出一種非常高速的電網(wǎng)，就是所謂的量子電網(wǎng)，將帶來我們目前無法想象的運行速度。
這一研究成果獲得得到了楊振寧教授的高度評價。楊振寧表示這讓他想起很多年前接到物理學家吳健雄的電話，第一次告訴他在實驗室做出了宇稱不守恒的實驗，這個發(fā)現(xiàn)震驚了世界。今天薛其坤及其團隊做出的實驗成果，是從中國的實驗室里第一次做出了諾貝爾獎級的物理學成績，不僅是科學界的喜事，也是整個國家的喜事。
楊振寧評價道，雖然獲諾貝爾獎的具體標準無法定義，但他相信99%在前沿物理學做研究的人都會同意這是一個諾貝爾獎級的成果。過去人們總認為中國人不擅于做實驗，仿佛只會搞理論，其實中國已經(jīng)有世界一流的實驗室，加上中國人的勤奮和團隊合作精神，是能夠做出一流的實驗的。
薛其坤等科學家共同表示，該成果的獲得是我國科學家長期積累、協(xié)同創(chuàng)新、集體攻關(guān)的一個成功典范。前期，團隊成員已在拓撲絕緣體研究中取得過一系列的進展，研究成果曾入選2010 年中國科學十大進展和中國高校十大科技進展，團隊成員還獲得了2011年“求是杰出科學家獎”、“求是杰出科技成就集體獎”和“中國科學院杰出科技成就 獎”，以及2012年“全球華人物理學會亞洲成就獎”、“陳嘉庚科學獎”等榮譽。對于我國科技體制建設來說，這一成果的獲得無疑是一個有力的肯定。
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1879年美國物理學家霍爾在一個長方形的導體上發(fā)現(xiàn)，當電流在長度方向流動的時候，如果在導體垂直方向發(fā)現(xiàn)一個磁場，就會在寬度方向產(chǎn)生一個新的電流和電壓，這個就是霍爾效應。
多年來，量子霍爾效應是整個凝聚態(tài)物理領域最重要、最基本的量子效應之一。這是一種典型的宏觀量子效應，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個完美體現(xiàn)。1980年，德國科學家馮·克利青（Klaus Von Klitzing）發(fā)現(xiàn)了“整數(shù)量子霍爾效應”，于1985年獲得諾貝爾物理學獎。1982年，美籍華裔物理學家崔琦（Daniel Chee Tsui）、美國物理學家施特默（Horst L. Stormer）等發(fā)現(xiàn)“分數(shù)量子霍爾效應”，不久由美國物理學家勞弗林（Rober B. Laughlin）給出理論解釋，三人共同獲得1998年諾貝爾物理學獎。在量子霍爾效應家族里，至此仍未被發(fā)現(xiàn)的效應是“量子反?；魻栃薄恍枰饧哟艌龅牧孔踊魻栃?。
“量子反?；魻栃?，即在磁性材料中不外加磁場而產(chǎn)生電流，是多年來該領域的一個非常困難的重大挑戰(zhàn)，其關(guān)鍵在于新性質(zhì)材料的制備，這使得它的實現(xiàn)更加困難，需要精準的材料設計、制備與調(diào)控。1988年，美國物理學家霍爾丹（F. Duncan M. Haldane）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。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。
在磁性摻雜的拓撲絕緣體材料中實現(xiàn)“量子反?；魻栃保瑢Σ牧仙L和輸運測量都提出了極高的要求：材料必須具有鐵磁長程有序；鐵磁交換作用必須足夠強以引起能帶反轉(zhuǎn)，從而導致拓撲非平庸的帶結(jié)構(gòu)；同時體內(nèi)的載流子濃度必須盡可能地低。最近，中科院物理所何珂、呂力、馬旭村、王立莉、方忠、戴希等組成的團隊和清華大學物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團隊合作攻關(guān)，在這場國際競爭中顯示了雄厚的實力。他們克服了薄膜生長、磁性摻雜、門電 壓控制、低溫輸運測量等多道難關(guān)，一步一步實現(xiàn)了對拓撲絕緣體的電子結(jié)構(gòu)、長程鐵磁序以及能帶拓撲結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，利用分子束外延方法生長出了高質(zhì)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地觀測到了“量子反常霍爾效應”。該結(jié)果于2013年3月14日在 Science上在線發(fā)表，清華大學和中科院物理所為共同第一作者單位。
談到這一成果的現(xiàn)實意義，薛其坤院士說：“目前計算機芯片里電子的運動可以看成是無規(guī)律的，從晶體管的電極一端到達另一端的時候，就像從農(nóng)貿(mào)市場的一端到達另一端，運動過程中老碰到很多無序的電子，要走彎路，走彎路就會造成發(fā)熱，這是目前晶體管發(fā)熱的重要原因之一。量子霍爾效應中的電子就不像農(nóng)貿(mào)市場的運動一樣雜亂，而是像高速公路的汽車一樣，按照規(guī)則進行?！?/p>
要實現(xiàn)整數(shù)/分數(shù)量子霍爾效應，所需磁場是地球地磁場的十萬倍甚至上百萬倍，要產(chǎn)生這樣的磁場需要一個非常大的設備，至少要冰箱那么大，一個計算機的芯片很小，顯然這種量子霍爾效應很難得到應用。但量子反?；魻栃暮锰幵谟诓恍枰魏瓮饧哟艌觯虼诉@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(shù)革命進程。
如果今后把材料溫度提高到在日常溫度之下，有可能還會造出一種非常高速的電網(wǎng)，就是所謂的量子電網(wǎng)，將帶來我們目前無法想象的運行速度。
這一研究成果獲得得到了楊振寧教授的高度評價。楊振寧表示這讓他想起很多年前接到物理學家吳健雄的電話，第一次告訴他在實驗室做出了宇稱不守恒的實驗，這個發(fā)現(xiàn)震驚了世界。今天薛其坤及其團隊做出的實驗成果，是從中國的實驗室里第一次做出了諾貝爾獎級的物理學成績，不僅是科學界的喜事，也是整個國家的喜事。
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薛其坤等科學家共同表示，該成果的獲得是我國科學家長期積累、協(xié)同創(chuàng)新、集體攻關(guān)的一個成功典范。前期，團隊成員已在拓撲絕緣體研究中取得過一系列的進展，研究成果曾入選2010 年中國科學十大進展和中國高校十大科技進展，團隊成員還獲得了2011年“求是杰出科學家獎”、“求是杰出科技成就集體獎”和“中國科學院杰出科技成就 獎”，以及2012年“全球華人物理學會亞洲成就獎”、“陳嘉庚科學獎”等榮譽。對于我國科技體制建設來說，這一成果的獲得無疑是一個有力的肯定。
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