量子反常霍爾效應

記:多數人對量子反常霍爾效應不太明白。

薛:要了解量子反常霍爾效應,你得先了解量子霍爾效應,要了解量子霍爾效應,你得先了解霍爾效應。霍爾是美國科學家,他分别于1879年和1880年發現霍爾效應和反常霍爾效應。此後,整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應也相繼被發現。

霍爾效應,是一個在實體上非常重要的電磁現象。咱用一個形象的比喻,計算機晶片裡電子的運動從微觀上看是無規則的。當它們從半導體的一個電極到達另一個電極的時候,就像人從農貿市場的一端到達另一端,運動過程中總是碰到很多無序的障礙,它要走彎路,走彎路就會造成發熱,效率就不高,這是目前半導體發熱的重要原因之一。量子霍爾效應給電子定義了一個規則,其運動不像農貿市場的運動那麼雜亂,而是像高速公路上的汽車一樣,按照規則,有序進行。

記:好比是電子運動的“交通規則”。

薛:對。它使得電子隻能沿着邊緣的一維通道運動,并且隻能做單向運動,不能傳回,這相當于建立了電子運動的“高速公路”,使其告别了雜亂無章的運動。

記:請具體談談量子反常霍爾效應。

薛:量子霍爾效應可以被用來實作低能耗高速電子器件,推動資訊和能源産業的發展,對未來實作固體拓撲量子計算和資訊處理的革命有直接的推動意義。然而,實作量子霍爾效應,需要十萬高斯左右的強磁場(地磁場僅為0.5高斯),要産生這樣的磁場不但價格昂貴,而且其體積龐大(冰箱那麼大),這使得量子霍爾效應很難得到應用。于是,科學家們一直在尋找不需要外加磁場的量子霍爾效應,即量子反常霍爾效應。

記:我還沒弄明白普通霍爾效應和反常霍爾效應的差別。

薛:反常霍爾效應與普通的霍爾效應在本質上完全不同,這裡不存在外磁場對電子的洛倫茲力而産生的運動軌道偏轉,反常霍爾電導是由于材料本身的自發磁化(即材料本身具有磁性)而産生的。

記:量子反常霍爾效應應用價值在哪裡?

薛:最大的應用就是,從原理上來講,可以推動下一代內建電路的發展,現在的內建電路,包括咱的筆記本電腦,大型計算機等,它用來做無用功的發熱占到了将近三分之一,而量子反常霍爾效應,可以讓計算機中的半導體不發熱。這不但可以提高速度,還能節約能源。

記:電腦用長了就發熱。

薛:一開機,它就開始發熱,一點點熱,積攢起來就感覺很熱了。第二,如果讓它不發熱,從理論上講,它的內建度就能進一步增加。現在的情況是,你再增加就增加不下去了,筆記本電腦會速度變慢,甚至熱得不能工作。

是以,利用量子反常霍爾效應,可以解決微電子技術的一些瓶頸性問題。現在我們電腦的用電量,是照明用電量的三分之一啊,你可以想象,每天有多少電浪費在這上面。如果解決了這個問題,對能源的節省将會是非常大的。

記:你多次說過材料很重要。在講座中反複強調:material!material!material!

薛:它是這樣,要觀察到量子反常霍爾效應,需要拓撲絕緣體材料絕緣。要做到這一點,以單晶矽為例,這要求在一百萬個矽原子中隻能有一個雜質,你可以想象,百萬分之一的雜質啊,這是很難的。如果做不到這一點,你就測不到這個性質,是以說,材料很重要。

楊志靈:怎麼才能達到這種純度?　

薛:我們用的方法,非專業人士很難了解。它是靠生長動力學控制的。

常态下導體中電子運動沒有特定的軌道、互相碰撞進而發生能量損耗。而量子霍爾效應則可以對電子的運動制定一個規則，讓它們在各自的跑道上前進，沒有互相碰撞是以不會發熱。但是産生量子霍爾效應需要一定條件，就是加以強磁場。而量子反常霍爾效應，就是不加強磁場就能産生量子霍爾效應，如果這種技術能夠成功，計算機運算速度超快，使用壽命增加，超節能......。

高溫超導材料同樣是目前高端科技研究的科目，超過液氮的溫度能實作的超導材料都叫高溫超導材料，但常溫下就能超導的材料還沒找到。如果有了常溫超導材料，效果和量子反常霍爾效應一樣。

差別我覺得，量子反常霍爾效應是利用電子自旋的性質，技術層次。超導，完全是利用導體超導的這一性質，材料層次。

原文釋出時間為：2016.06.08

本文作者：random_good

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