量子反常霍爾效應(yīng)有望帶動(dòng)未來科技革命

2018年度國家科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)于2019年1月8日在北京舉行，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)副校長薛其坤教授領(lǐng)導(dǎo)的清華大學(xué)、中科院物理研究所實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)完成的“量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)”項(xiàng)目，獲得本年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)中唯一的一等獎(jiǎng)。

這項(xiàng)發(fā)表于2013年的研究工作被稱為是誕生在中國本土實(shí)驗(yàn)室的諾獎(jiǎng)級重大成果，五年后斬獲代表我國自然科學(xué)類研究最高成就的國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，可謂實(shí)至名歸。那么，量子反?；魻栃?yīng)到底是一種怎樣的物理現(xiàn)象，它的發(fā)現(xiàn)為何能引起如此巨大的反響，利用它真的能夠造出下一代電子計(jì)算機(jī)嗎？

這篇文章將從經(jīng)典電磁學(xué)中的霍爾效應(yīng)說起，逐步帶領(lǐng)各位讀者一窺當(dāng)今固體物理學(xué)研究的最前沿。

霍爾效應(yīng)——老樹開新花

不難看出“量子反?；魻栃?yīng)”的名字中有“霍爾效應(yīng)”這個(gè)中心詞，無論多么“量子”，多么“反?！保J(rèn)祖歸宗之后本質(zhì)上還是一種“霍爾效應(yīng)”。這一電磁學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典效應(yīng)發(fā)現(xiàn)于140年前，現(xiàn)早已成為了高中物理課本中的重要內(nèi)容。我們且做一個(gè)簡單回顧，喚醒各位讀者沉睡已久的記憶。

霍爾效應(yīng)是指，如果將條形導(dǎo)體置入與其表面垂直的磁場，并在長度方向通過電流時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的電荷將在洛倫茲力的作用下偏向?qū)w的某條長邊，繼而在導(dǎo)體內(nèi)部寬度方向上產(chǎn)生（霍爾）電壓的現(xiàn)象。下方的示意圖非常清晰的表現(xiàn)了霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生原理。

霍爾效應(yīng)示意圖，作者Peo

最初，自由電子在未通電的導(dǎo)體內(nèi)部做不規(guī)則的雜亂運(yùn)動(dòng)。

動(dòng)圖1：未通電導(dǎo)體中無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的電子，

來源：中國科普博覽

當(dāng)在兩端外接電源導(dǎo)線，形成回路后，電流從導(dǎo)體流過，導(dǎo)體內(nèi)電子做沿著長度方向的漂移運(yùn)動(dòng)。

動(dòng)圖2：外加電源形成回路后的導(dǎo)體，來源：中國科普博覽

此時(shí)再加入磁場后，電子受到洛倫茲力作用，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的結(jié)果將使得大量電子堆積于導(dǎo)體一側(cè)，這些堆積的電子將產(chǎn)生縱向電壓。

動(dòng)圖3，外加磁場后導(dǎo)電回路中的電子運(yùn)動(dòng)，

來源：中國科普博覽

最終，縱向電壓向電子施加的電磁力與磁場形成的洛倫磁力將達(dá)到平衡，使得后來的電子能順利通過不會(huì)偏移，此時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。

動(dòng)圖4，建立平衡后的導(dǎo)體回路，

來源：中國科普博覽

在發(fā)現(xiàn)140余年的時(shí)間里，霍爾效應(yīng)在電力電子，特別是傳感器等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代汽車上應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾器件包括，汽車速度表及里程表，各種用電負(fù)載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器，各種抗干擾開關(guān)等等。

建立霍爾平衡過程的示意圖

量子霍爾效應(yīng)——?dú)g迎進(jìn)入量子世界！

霍爾效應(yīng)的概念本身還算易于理解，當(dāng)其與量子理論結(jié)合時(shí)又將擦出怎樣的火花呢？

我們知道，當(dāng)物理學(xué)研究對象本身的維度進(jìn)入到微觀領(lǐng)域時(shí)，與我們在宏觀世界中的日常經(jīng)驗(yàn)完全迥異的量子理論就將掌控各種物理規(guī)律。此時(shí)，若干物理量的連續(xù)變化將呈現(xiàn)為間斷性變化，體現(xiàn)出量子特征。舉個(gè)不太確切的例子，宏觀世界的蘋果，有大有小，蘋果的大小可以連續(xù)變化。而微觀世界中的蘋果，大小就不是連續(xù)變化的了，而是相當(dāng)于某個(gè)基礎(chǔ)蘋果尺寸的整數(shù)倍，不存在其它尺寸的微觀蘋果。

在量子力學(xué)的世界中，很多物理量都是某一基礎(chǔ)值的整數(shù)倍

繼續(xù)量子霍爾效應(yīng)的話題，高中物理知識(shí)告訴我們，在無限大均勻平面磁場中，以垂直磁感線方向入射的初速不為零的電子將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。而在經(jīng)典的霍爾效應(yīng)導(dǎo)體中，載流電子雖然會(huì)在磁場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但由于偏轉(zhuǎn)半徑很大，尚未完成圓周運(yùn)動(dòng)就會(huì)堆積在導(dǎo)體一側(cè)。

那么，有沒有什么條件可以讓霍爾效應(yīng)導(dǎo)體中的載流電子在導(dǎo)體內(nèi)部完成圓周運(yùn)動(dòng)呢？這樣的條件還真的存在！在足夠低的溫度，和非常強(qiáng)的外加磁場下，電子的偏轉(zhuǎn)半徑將顯著減小，從而可能在導(dǎo)體內(nèi)部完成圓周運(yùn)動(dòng)。

動(dòng)圖5：量子霍爾效應(yīng)示意圖，來源：中國科普博覽

此時(shí)的導(dǎo)體內(nèi)部仿佛存在無數(shù)個(gè)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的“陀螺”。當(dāng)外加磁場繼續(xù)增大，電子的回旋半徑將進(jìn)一步縮小，當(dāng)它小到與電子本身近似的微觀水平時(shí)，量子效應(yīng)就產(chǎn)生了！發(fā)生量子霍爾效應(yīng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部電子原地圓周運(yùn)動(dòng)，而導(dǎo)體邊緣電子形成導(dǎo)電通路。

量子霍爾效應(yīng)示意圖，當(dāng)外加磁場持續(xù)增加，

電子回旋半徑持續(xù)減小

我們用霍爾電壓與通過電流的比值定義霍爾電阻這個(gè)物理量。當(dāng)外加磁場比較小時(shí)，霍爾電阻將隨著外加磁場的增加而增加，兩者呈現(xiàn)線性關(guān)系。當(dāng)外加磁場繼續(xù)增加到某一值后，霍爾電阻將維持不變。若外加磁場進(jìn)一步增加，霍爾電阻將忽然躍上一個(gè)新的平臺(tái)，曲線整體呈現(xiàn)階梯狀。這樣不連續(xù)的變化趨勢，正是量子效應(yīng)的顯著特征。

量子霍爾效應(yīng)發(fā)生時(shí)的物理特性

神奇的地方還不止于此，如果我們同時(shí)關(guān)注該霍爾導(dǎo)體本身的電阻，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)霍爾電阻位于平臺(tái)的時(shí)候，導(dǎo)體自身的電阻消失了！實(shí)際上，此時(shí)導(dǎo)體內(nèi)部的廣闊區(qū)域中是沒有電流通過的，電流只在導(dǎo)體的邊緣流動(dòng)。

量子反?；魻栃?yīng)——開啟電子技術(shù)新時(shí)代

量子霍爾效應(yīng)具有多種神奇而充滿魅力的特點(diǎn)，但是它的產(chǎn)生需要依賴于強(qiáng)外加磁場的條件，因此缺乏實(shí)用性。試想，如果開發(fā)一枚具備量子霍爾效應(yīng)的超導(dǎo)芯片，雖然其本身具有低發(fā)熱、高速度等有益特點(diǎn)，但維持其運(yùn)轉(zhuǎn)可能要配備上一臺(tái)冰箱一樣大小的強(qiáng)磁場發(fā)生器，這是我們無法接受的。

那么，有沒有一種材料可以不依賴強(qiáng)磁場就能產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)呢？這種材料就是大名鼎鼎的拓?fù)浣^緣體。自從2007 年面世后，拓?fù)浣^緣體在全世界吸引了堪比石墨烯的關(guān)注度。薛教授和其團(tuán)隊(duì)正是受其啟發(fā)，將拓?fù)浣^緣體和鐵磁性材料有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了低溫下無需外加強(qiáng)磁場就能觀測到的量子霍爾效應(yīng)。為了體現(xiàn)區(qū)別，這種新的現(xiàn)象被稱為量子反?；魻栃?yīng)。

動(dòng)圖6：拓?fù)浣^緣體中的量子反?；魻栃?yīng)，

來源：中國科普博覽

量子霍爾效應(yīng)提供了一種實(shí)現(xiàn)超高性能電子器件的可能途徑，能夠極大降低電路的發(fā)熱，提高開關(guān)頻率和運(yùn)行速度。而中國科學(xué)家率先發(fā)現(xiàn)的反常量子霍爾效應(yīng)，進(jìn)一步擺脫了強(qiáng)磁場的桎梏，有條件實(shí)現(xiàn)器件的小型化。如果能進(jìn)一步解決相關(guān)的技術(shù)障礙，提高可用溫度，有希望在未來進(jìn)一步拓展應(yīng)用場景。