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攻克量子领域完成技术革命

2019-01-18 10:37:37 来源：伍福网

日前，由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中国科学院物理所联合组成的实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”项目获2018年度国家自然科学奖一等奖。

薛其坤院士

量子霍尔效应在凝聚态物理中占据着极其重要的地位。整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的实验发现分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。薛其坤教授领衔的科研团队在世界上首次在实验上观测到量子反常霍尔效应，实现了这一基础科学领域的重大突破，花了整整四年时间。量子反常霍尔效应的首次实验发现，是世界物理学界近几年最重要的实验进展之一。诺贝尔奖获得者杨振宁评价其为“第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文”。

什么是量子反常霍尔效应？薛其坤院士解释道：用一个形象的比喻，计算机芯片里的电子运动几乎无规律，将其比喻成人的话，就意味着运动过程经常呈现出无序和走弯路，接着就会发热，效率缓慢，这也是目前晶体管发热的一个重要原因之一。这一效应则制定了一个规则，让电子就像高速公路的汽车一样，按照规则前行，减少能耗。

（图片来源：http://qianyan.kepu.cn/kjqy_zt/innoexpo2014/gclzhexy/index.html）

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，这样的磁场只有在实验室里才能达到。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。

现代芯片处理器所消耗的100瓦功率中，有约20%被浪费在晶体管材料中。获奖团队的专家说，量子反常霍尔效应在未来的电子器件中应用将会非常广泛，首先电子设备不会发热，另外电子设备的元器件集成密度将大大提高，“拥有上千亿次计算能力的计算机将浓缩成一部掌上电脑，走进寻常百姓家”。

那为什么说它是“诺贝尔”级的发明？1879年，美国物理学家霍尔在长方形导体上发现了这一效应。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，比如说可以测量磁场，也可以测量运动事故，可以产生新的器件，像开关，汽车上面都可应用。霍尔很快凭此获得了诺贝尔物理学奖，过了两年，他又发现了一个分数量子霍尔效应，也获得了诺贝尔物理奖。这样，量子霍尔效应家族里就只剩下反常量子霍尔效应未被证实了。

美国物理学家约翰·霍尔

几年前，包括华人物理学家张首晟教授在内的科学家在理论上预言了拓扑绝缘体的存在，它是一种具有奇异量子特性的新物质状态，它完全不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”，是一种内部绝缘，界面允许电荷移动的材料，它的出现引起很大轰动，因为这种材料的出现，意味着不需要磁场也会有量子霍尔效应了。

（图片来源：https://upload-images.jianshu.io/upload_images/3390801-9d68ccd2108f9fc4.jpg）

薛其坤说，量子反常霍尔效应的实验发现说明在基础科学领域，中国科学家的科学素养、研究水平和对实验技术的掌握，已与国际先进水平接轨。在中国加大基础科学研究投入20年后，中国科学界已经具备一批国际水平的科学家。重大实验发现是对人类智慧的一个巨大挑战，这对研究团队的科研素养和积累，以及实验技术水平的要求都非常高。这项成果是团队精诚合作、联合攻关的共同成果，是中国科学家的集体荣誉。