量子反常霍爾效應的實驗觀測和體會(二)

2020-11-23 清華大學新聞網

量子反常霍爾效應的實驗觀測和體會（二）

薛其坤

        量子霍爾效應實際上給處在微觀世界的電子訂了一個「交通規則」。

　　量子霍爾效應的發現，為我們突破摩爾定律和集成電路的發展提供了一個全新的原理。這是物理學基本研究為未來工業界發展提供的嶄新道路。

 整數、分數量子霍爾效應

        1980年，德國科學家馮·克利青（K.vonKlitzing）在場效應電晶體中研究霍爾效應時發現了一個非常有趣的現象———整數量子霍爾效應。從這個曲線中可以看到 （圖1），紅線的縱軸是霍爾電阻，橫軸就是外加的磁場。從0開始慢慢增加磁場強度，在磁場很小時霍爾效應是線性的，和磁場成正比，這個現象很正常。但是隨著磁場強度不斷增高，就逐漸出現了新的特徵———它不再是線性的，而是出現了一個平臺，比如說在6個特斯拉到9個特斯拉之間，霍爾電阻一點都沒變，我們稱之為 「量子平臺」。更奇怪的是，這個平臺對應於霍爾電阻的大小非常特別，h（普朗克常數）/e(一個電子帶的電量)2對應的是25800多一點歐姆。這個平臺出現的地方，是這樣一個常數除上一個正整數，非常奇怪。五年後的1985年，馮·克利青因為這個發現獲得了諾貝爾物理學獎。

圖1整數量子霍爾效應。

　　整數量子霍爾效應的奇怪之處在於它和一個常數有關，而與材料、形狀、尺寸、大小和製備方法沒有任何關係。不同材料的物理、化學性質都不一樣，怎麼會出現常數呢？這背後一定隱含著物理學的一些很大、很重要的基本規律。這就是為什麼量子霍爾效應變得這麼重要。

圖2分數量子霍爾效應。

　　還有其他更奇怪的地方。隨著半導體工業的發展，我們可以用砷化鎵或砷化鎵鋁代替矽，做成高速的場效應電晶體。1982年，美國物理學家崔琦和施特莫發現當把一種半導體換成另一種半導體、在兩維的體系中做類似測量時，不但在整數的地方，而且在1/3、2/3、2/5的地方也出現平臺。（圖2）這就是分數量子霍爾效應。這個效應不久由另一位美國物理學家勞弗林給出了理論解釋，他們三人分享了1998年的諾貝爾物理學獎。

量子霍爾效應的啟示和應用

        實際上，後來隨著物理學家對量子霍爾效應進行更深入的研究，我們認識到剛才看到的這個平臺是微觀世界中電子運動的量子效應非常生動的、深刻的體現。就是說從一個簡單的宏觀測量我們可以理解看不見、摸不著的電子究竟是在幹什麼。量子霍爾效應實際上給處在微觀世界的電子訂了一個 「交通規則」：電子在這種強磁場中，只能沿著邊緣的一維通道中走。本來這是一個導體，加上一個很強的磁場後，這個材料的絕大部分變成絕緣的，電子只能在邊緣沿著一個個通道運動，而且只能做單向運動，不能返回。（圖3）這樣的發現使我們大大加深了對微觀世界的理解，這是物理學上一個非常大的進步。

圖3量子霍爾效應——電子運動的「交通規則」。

　　這個發現有什麼用處呢？首先可以實現無耗散、低能耗、高速度的電子器件，並由此推動信息和能源產業的巨大進步。而且它對未來實現固體拓撲量子計算和信息處理的革命也有直接的推動意義，這裡我們先不涉及。量子霍爾效應的發現，為我們突破摩爾定律和集成電路的發展提供了一個全新的原理。這是物理學基本研究為未來工業界發展提供的嶄新道路。（圖4）但是正如剛才我們講到的，要加幾個特斯拉才能實現這種量子霍爾態，這就需要加一個非常大的磁場。加9、10個特斯拉的話是十萬高斯，而我們的地球產生的地磁場只有0.5高斯。所以我們要想建造電子的 「高速公路」，讓電子有規則地運動，我們施加的磁場需要是地磁場的20萬倍。要形成這麼大的磁場，所需要的磁鐵不僅造價高，而且「個頭大」，很不實用。（圖5）儘管量子霍爾效應在產業中的應用面臨很大困難，但它在物理學上還是非常重要的。除了大大加深了我們對微觀世界的認識，它在計量學中也有很重要的應用。從1999年起，量子霍爾電阻被認定為計量學中的標準電阻。量子霍爾效應被認為是測量精細結構常數的獨立手段，對量子電動力學具有重要意義。

圖4量子霍爾效應的應用。

圖5影響應用的一個問題：強磁場。

　　回到最初，1880年霍爾發現的反常霍爾效應是不需要磁場的。沿著這樣一個思路我們會想到，有沒有不需要磁場的量子化霍爾效應呢？如果我們的實驗驗證了量子化反常霍爾效應，不僅在科學上有重要意義，可以弄清爭論了100多年的反常霍爾效應的機制，而且在應用上也有很大的價值。此外，這是一個精密的物理實驗，有很大的挑戰性，如果能夠成功實現，說明我們的物理實驗水平已經達到相當的高度，同時在這個過程中還能培養很多優秀的年輕物理學家。我們清華大學的辦學理念是「頂天、立地、樹人」，我們的實驗就是實現這一辦學理念非常好的平臺。（未完待續。本文根據薛其坤院士2013年4月27日做客清華論壇所作報告編輯整理。編輯整理/程曦 張碩 向小雨 賈霄宇 馬逸昕 韓靖北 周詩宇）

 來源：新清華 2013-08-30

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