量子反常霍爾效應：讓超級計算機變平板電腦成可能 - 電腦與科技 [複製鏈接]

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發表於 2013-11-22 09:43:40 |只看該作者 |倒序瀏覽

量子反常霍爾效應，對普通人來說，拗口而晦澀。但在物理學家眼中，它「神奇」又「美妙」。因為它的發現可能帶來下一次信息技術革命。採用這種技術設計集成電路和元器件，千億次的超級計算機有望做成平板電腦那麼大，智能手機的內存可能會提高上千倍。
首次從實驗中觀測到量子反常霍爾效應后，清華大學副校長薛其坤院士和他的團隊受到外界廣泛關注。
「我們正在努力提高觀測量子反常霍爾效應這一物理現象的溫度。希望能從原來的零下273攝氏度提升至零下269攝氏度。」薛其坤在接受科技日報記者採訪時表示。半年多來，他們一直在為量子反常霍爾效應進一步深入研究和應用奮鬥着。薛其坤說：「零下269攝氏度是氦氣的液化溫度，是一個標誌性溫度。比如醫院的CT工作時就是這個溫度。如果能實現這一目標，將為應用打下良好的基礎。」
今年3月15日，薛其坤團隊的研究成果在線發表於美國《科學》雜誌。4月12日，該雜誌正式發表這一論文，其「展望」欄目還刊登了題為《完整的量子霍爾家族三重奏》的評論文章。文章表示，中國科學家「證實了期待已久的量子反常霍爾效應的存在，這是量子霍爾家族的最後一位成員」。
凝聚態物理中，量子霍爾效應佔據着極其重要的地位。整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的實驗發現分別於1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎。
要想了解量子反常霍爾效應，必須先認識量子霍爾效應。比如我們使用計算機的時候，會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態下芯片中的電子運動沒有特定軌道，相互碰撞從而發生能量損耗。而量子霍爾效應則可以對電子的運動制定一個規則，讓它們在各自跑道上「一往無前」。「這就好比一輛跑車，常態下是在擁擠的農貿市場路上行駛，而在量子霍爾效應下，則可以在互不干擾的高速路上前進。」薛其坤打了個形象的比方。
但是量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場，「相當於外加10個計算機大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價格昂貴，不適合個人電腦和便攜式計算機」，薛其坤說，量子反常霍爾效應的美妙之處是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。
從美國物理學家霍爾丹1988年提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，到我國科學家為這一預言畫上完美句號，中間經過了20多年。課題組成員、中科院物理所副研究員何珂告訴記者：「量子反常霍爾效應實現非常困難，需要精準的材料設計、製備與調控。儘管多年來各國科學家提出幾種不同的實現途徑，但所需的材料和結構非常難以製備，因此在實驗上進展緩慢。」
「這就如同要求一個運動員同時具有劉翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的靈巧度。在實際的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是一個巨大的挑戰。」課題組成員、清華大學教授王亞愚這樣描述實驗對材料要求的苛刻程度。
薛其坤團隊經過近4年研究，生長測量了1000多個樣品。最終，他們利用分子束外延方法，生長出了高質量的Cr摻雜（Bi,Sb）2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，並在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應。
對於外界的關注，薛其坤說：「國家越來越重視基礎科學研究，我們備受鼓舞。任何一個現象從原理性的發現走到應用，都需要不同領域的科學家和工業界的共同努力。」至於何時能把超級計算機變成平板電腦大小，薛其坤嚴謹地表示：「這在原理上是可實現的，但需要溫度和材料方面都要有重大突破。量子反常霍爾效應的應用潛力非常大，但是將來能不能走嚮應用，什麼時候能應用，是很難預期的。也可能會出現一個意想不到的、更重要的應用。我們將與更多人合作將這個領域研究成果發揚光大，推動它向著應用方向發展。」

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