中国首次发现量子反常霍尔效应 诺贝尔奖级

2013年04月10日

    未来的电脑不再需要散热器？这很有可能变为现实。清华大学和中科院物理所今天（4月10日）在北京宣布，他们组成的团队从实验中首次观测到量子反常霍尔效应。这一重大发现将可能加速推进信息技术革命，在未来研制出极低能耗的电子器件。

    清华大学薛其坤院士在１０日举行的新闻发布会上说，美国科学家霍尔分别于１８７９年和１８８０年发现霍尔效应和反常霍尔效应。在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压，这个电磁输运现象就是著名的霍尔效应。而不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是霍尔反常效应。霍尔反常电导是由于材料本身的自发磁化而产生的，因此是一类新的重要物理效应。

    据介绍，在当今信息社会，半导体技术飞速发展，但电脑运行中热量如何散发成为困扰半导体和信息产业发展的一个瓶颈问题。而量子反常霍尔效应的发现将有望解决这一难题，因为这一效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用，可用于制备低能耗的高速电子器件。科学家可使电子在不需要强磁场的情况下，按照固定轨迹运动，减少电子无规则碰撞导致的发热和能量损耗。通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，千亿次的超级计算机有望做成现在的ｉｐａｄ那么大。

    薛其坤同时表示，因受目前科研条件等因素制约，从实验室到实际应用，要走的道路还很长。
 
    中国科学家首次在实验中发现量子反常霍尔效应引起国际物理学界巨大反响，著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁今天（4月10日）称赞其是诺贝尔奖级的成绩。

    杨振宁表示，这让他想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话，第一次告诉他在实验室做出了宇称不守恒的实验，这个发现震惊了世界。今天薛其坤及其团队做出的实验成果，是从中国的实验室里第一次做出了诺贝尔奖级的物理学成绩，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。

    杨振宁说，获诺贝尔奖的具体条件无法定义，但他相信99%在前沿物理学做研究的人都会同意这是一个诺贝尔奖级的成果。过去人们总认为中国人不擅于做实验，仿佛只会搞理论，其实中国已经有世界一流的实验室，加上中国人的勤奋和团队合作精神，是能够做出一流的实验的。

    2013年3月15日，《科学》杂志在线发文，宣布薛其坤院士领衔的团队在实验上首次发现量子反常霍尔效应，而这被认为有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员。

    新闻解释

    量子反常霍尔效应　将为我们带来什么

    与量子霍尔效应相关的发现之所以屡获学术大奖，是因为霍尔效应在应用技术中特别重要。人类日常生活中常用的很多电子器件都来自霍尔效应，仅汽车上广泛应用的霍尔器件就包括：信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器等。

    例如用在汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。因为汽车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而汽车上有许多灯具和电器件在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路就可以减小这些现象。

    此次中国科学家发现的量子反常霍尔效应也具有极高的应用前景。量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场，因此至今没有广泛应用于个人电脑和便携式计算机上——因为要产生所需的磁场不但价格昂贵，而且体积大概要有衣柜那么大。而反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转，反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的。

    如今中国科学家在实验上实现了零磁场中的量子霍尔效应，就有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题。这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用：无需高强磁场，就可以制备低能耗的高速电子器件，例如极低能耗的芯片，进而可能促成高容错的全拓扑量子计算机的诞生——这意味着个人电脑未来可能得以更新换代。