清华大学薛其坤有望获得诺贝尔物理奖 发现量子反常霍尔效应

蔫小虎

　　昨天(4月10日)，清华大学召开新闻发布会宣布，由清华大学薛其坤院士领衔的中国团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应。该成果3月15日已经在《科学》杂志在线发表，杨振宁教授称这是诺贝尔物理奖级别的论文。

　　杨振宁：我认为是从中国的实验室里头第一次做出来了，发表出来了诺贝尔奖级的物理学的论文，这个不只是清华大学科学院的喜事儿，我认为也是整个国家发展的一个大喜事。

　　昨天，诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授高度评价了这项重大发现。什么是量子反常霍尔效应？领衔这次研究团队的薛其坤院士解释：

　　薛其坤：咱们用一个形象的比喻，计算机芯片里电子的运动几乎可以看成是一个无规律的，从晶体管的电极一端到达另一端的时候，就像从农贸市场的一端到达另一端的时候，电子比喻成人的话，运动过程中老碰到很多无序的话它老是要走弯路，走弯路就会造成发热，效率就不高，这是目前晶体管发热的一个重要原因之一。量子霍尔的电子被这个效应定义了一个规则，不像农贸市场的运动非常杂乱了，就像高速公路的汽车一样，按照规则进行。

　　薛其坤院士解释说，目前，普通量子霍尔效应的产生无法被广泛应用，因为它需要非常强的磁场，成本非常昂贵，比较困难。

　　薛其坤：要实现这种量子霍尔效应所占的磁场，是地球地磁场的十万倍甚至上百万倍，要产生这样的磁场需要一个非常大的设备，一般来讲的话是和冰箱那么大，一个计算机的芯片很小，显然这种量子霍尔效应很难得到应用。

　　但量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场，因此这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命进程。

　　连线中国科学院理论物理研究所研究员李淼：

　　霍尔是一位美国物理学家的名字，霍尔效应，量子霍尔效应，量子反常霍尔效应，这三个概念之间有是什么样的关系？

　　李淼：1879年美国物理学家霍尔发现一个效应，是在一个长方形的导体上发现的，当电流在长度方向流动的时候，如果在导体垂直方向发现一个磁场，就会在宽度方向产生一个新的电流和电压，这个就是霍尔效应。因为霍尔效应在运动和磁场都有感应，所以可以用来做器件，比如说可以来测量磁场，也可以测量运动事故，可以产生新的器件，比如像开关，汽车上面都有应用。

　　那这个量子反常霍尔效应是什么概念呢？

　　李淼：霍尔很快获得了诺贝尔物理学奖，霍尔效应在宽度方向那个电压或者导电是成整数倍的朝上翻的，像薛其坤解释的那样，这样的效应需要非常非常强的磁场。过了两年又发现了一个分数量子霍尔效应，分数量子霍尔效应不是整数的翻，而是分数倍的翻，这个霍尔效应也被诺贝尔奖授予了，崔琦教授参与了这一发现。80年代末有一个普林斯顿的物理学家说实际上不需要磁场，也没有量子霍尔效应，当然不需要磁场，叫反常霍尔效应。

　　3、4年前，包括中国华人物理学家张首晟教授在内的科学家，在理论上预言了一个叫做所谓的拓扑绝缘体，但是不管拓扑绝缘体是什么，它反正是个新的材料，这个发现以后很轰动，张首晟和其他人也获得了很多大奖，这这种材料挡在一种铁磁性的材料上面，用两种材料混合起来，就会发生反常量子霍尔效应，不需要磁场也有量子霍尔了。

　　霍尔事件就是建立在霍尔效应基础上的事件，它本来就可以用在汽车上面，比如感应器、传感器。反常量子霍尔效应因为它不需要磁场，所以它可以把器件做的非常小，所以这样的话它可以用到我们日常生活的手机上、电脑上。如果今后把材料温度提高到在日常温度之下，有可能还会造出一种非常高速的电网，就是所谓的量子电网。

　　是不是会大大的提高电脑运行速度？

　　李淼：对，确实没有办法和现在比了，就是非常非常快的这种电网，根本就我们没有办法想象的。