量子反常霍尔效应简介及其应用前景

量子反常霍尔效应的简述及其应用前景
作者：李东伟
单位：山东大学材料科学与工程学院
学号：201300150073
摘要：由中国科学院院士薛其坤领衔的科研团队在世界上首次观测到量子反常霍尔效应，这是物理学领域，尤其是凝聚态物理领域的重大发现，并可能对信息技术的进步产生重大影响。

文章将介绍霍尔效应，量子霍尔效应，量子反常霍尔效应的概念和内涵，分析量子反常霍尔效应的应用前景，思考其发现对科学研究的意义。

关键字：量子反常霍尔效应，凝聚态物理
Abstract: The team which is led by Xue Qikun, the academician of the Chinese Academy of Sciences,observed the the quantum anomalous Holzer effect for the first time in the world, which is considered a great discovery in the field of physics, especially condensed matter physics, and may exert huge influence in the development of information technology. This thesis will introduce the conceptions of Holzer effect, quantum Holzer effect and quantum anomalous Holzer effect, analysis the application prospect of quantum anomalous Holzer effect, reflect on the significance of the discovery to
scientific research.
Key words:quantum anomalous Holzer effect,condensed matter physics
正文：
量子霍尔效应和量子反常霍尔效应是凝聚态物理的重要研究内容，整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应分别在1980年和1982年被发现，但是量子反常霍尔效应一直仅是物理学家的梦想。

2013年3月14日，《Science》杂志发表了由清华大学薛
其坤院士领衔，清华大学、中国科学院物理所和斯坦福大学研究人员联合组成的团队从试验中首次观测到量子反常霍尔效应的
工作，这是中国科学家从实验中独立观测到的一个重要物理现象，也是物理学领域基础研究的一项重要科学发现，被认为是“诺贝
尔奖级的成果”。

本文将介绍霍尔效应，量子霍尔效应和量子反常霍尔效应的概念与内涵，分析量子反常霍尔效应的应用前景并思考其发现对科学研究的意义。

一、霍尔效应和量子霍尔效应
要对量子反常霍尔效应有一个系统、科学的认识，就必须先理解霍尔效应和量子霍尔效应的概念和内涵。

霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时
发现的。

当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。

这个电势差也被称为霍尔电势差。

根据霍尔效应制成的霍尔元件，既可用于磁场和功率的测量，也可制成开关元件，在自动控制和信息处理方面有着广泛的应用。

量子霍尔效应是在极低温和强磁场下发生的霍尔效应，1980年德国科学家冯克利青发现整数量子反常霍尔效应，1982年美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应，二者合称量子霍尔效应。

在量子霍尔效应中，霍尔常数（强磁场中，纵向电压和横向电流的比值）是量子化的，RH＝V/I＝h/νe2，ν＝1，2，3，……。

这种效应称为整数量子霍尔效应。

随着磁场增强，在v＝
1/3,1/5,1/7…等处，霍尔常数出现了新的台阶。

这种现象称为分数量子霍尔效应。

整数量子霍尔效应为“弹道运输”这一重要概念提供了实验支持。

量子霍尔效应可以对电子的运动制定一个规则，使其在各自的“道路”上运动，避免了电子因碰撞而产生的能量损耗，在解决电子器件发热、能量损耗和诸如计算机速度变慢等问题上有着广泛的应用前景，但是其要求的磁场强度太高，极难实现。

二、量子反常霍尔效应
量子霍尔效应对提高计算机的运算速度，降低计算机能耗及改善发热状况有非常明显的作用，2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从
石墨中分离出石墨烯，在常温下观察到量子霍尔效应。

但是量子霍尔效应依然要求极高的磁场强度，“相当于外加十个计算机大的磁场”，体积庞大且造价昂贵，难以实现民用化、普及化。

1988年，美国物理学家霍尔丹提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。

直到2013年，薛其坤团队经过近4年的研究，生长测量了1000多个样品。

最终，他们利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。

量子反常霍尔效应的现象与量子霍尔效应一样，其不同之处在于量子反常霍尔效应是在零磁场的条件下，通过材料本身的特性实现量子霍尔态。

相比较于量子霍尔效应，量子反常霍尔效应在制备低耗能高速电子元件、便携式电脑等方面更具优势。

三、量子反常霍尔效应的应用前景
量子反常霍尔效应的主要应用方向在改善电子元件的性能，其广泛应用可能促使高容错的全拓扑量子计算机的诞生。

1）量子反常霍尔效应在微电子产业中的应用可以促使其突破摩尔定律。

自1965年以来，集成电路持续地按照摩尔定律增长，即集成电路中晶体管的数目每18个月增加一倍，每两到三年制造技术更新一代。

这是基于栅长不断缩小的结果，器件栅
长的缩小又基本上依照等比例缩小的原则，同时促进了其
它工艺参数的提高。

摩尔定律预测了微电子产业的发展，但就目前来看，似乎
已经逼近发展的尽头——集成度似乎已经到了极限。

器件
特征尺寸的不断微型化是微电子技术的关键,随着半导体器
件的进一步发展,它越来越受到来自器件工艺与器件物理本
身两方面的限制。

集成电路遵循摩尔定律进入纳米领域后，功率耗散问题日益严重:集成密度和工作频率的增加,使得
芯片单位面积内的功耗急剧增加,降低功耗和增强散热成为
集成电路开发的一个重要考虑因素。

如果量子反常霍尔效
应能够成功运用到集成电路的生产中，则其自身在运行过
程中由于电子自发地实现量子霍尔态，将不会因电子碰撞
产生能量损耗，将大大改善电子器件的发热情况，进一步
提高能量利用率，同时为栅长更小的集成电路的生产提供
了可能。

2）降低成本，增大高科技产品的普及率
在量子霍尔效应的理论基础上，我们看到了使电子器件趋
于更加小型化、低耗能化以及高效化的希望。

量子霍尔效
应中规律的、互不影响地按照能量级排列并运动的电子使
得栅长在五十纳米甚至更小的集成电路无需再考虑散热与
能量耗散的问题。

从理论上讲，未来它甚至可以将现在的
超级计算机做成平板电脑的大小。

与此同时，分数量子霍
尔效应为高容错的全拓扑量子计算机提供了理论依据，这
意味着将来的某一天，人们所使用的计算机将不再是基于
“0”和“1”，而是以能量级的变化来进行运算的机器，它的速
度将远远超过现在的计算机而几乎不产生热。

但是，这一切在量子霍尔效应下将注定难以实现。

由于量
子霍尔效应要求的强磁场环境（一般为地球磁场的几万到
几十万倍），用来产生强磁场的设备体积庞大，造价昂贵，这使得低耗能、便携式的量子计算机难以实现——分数量
子霍尔效应所需的磁场强度更超过一般的整数量子霍尔效
应。

在这种情况下，不需要外磁场的量子反常霍尔效应具
有巨大的优势，可以预见，量子反常霍尔效应进入电子器
件的生产流程之日，必将是高科技产品大量普及之时。

四、量子反常霍尔效应的发现对科学研究的影响
量子反常霍尔效应的“反常”是相对于量子霍尔效应而言的，因为量子霍尔效应发现和命名更早。

事实上，量子反常霍尔效应是在自发的情况下产生的，而量子霍尔效应是在外加强磁场的条件下才能够产生，换言之，量子反常霍尔效应比量子霍尔效应更加“正常”。

在这个思路下，我们不禁疑问，量子反常霍尔效应是否是一种个别的现象？自然界是否普遍存在类似量子反常霍尔效应这样自发地按照某种规律运动的现象？如果有，在什么样的条件下才能观测到其现象？如果没有，使得量子反常霍尔效应表现出这种特
殊性质的内在原因是什么？这些问题都亟待解决。

我们可以看到，一个问题的解决带来了更多的问题，随着“提出问题——解决问题——提出新问题”这种循环的不断进行，人类对于自然现象与物理规律的认识不断深入，人类必将一步一步接近宇宙中本源的自然规律的核心。

在笔者看来，量子反常霍尔效应为我们揭示了一种可能是全新的、不曾被人类理解的运动状态，其现象绝不可能是孤立的。

它告诉我们自然界的粒子存在某种自发地进行规律运动，自然地以能量损耗更小的方式运动的趋势，其行为非但不是孤立的，更应该是普遍的。

相信在不久的将来，会有越来越多的实验结果支持笔者的观点，而这将成为构成全新的物理学理论体系的基石。

参考文献：[1]刘雪梅《霍尔效应理论发展过程的研究》[中图分类号]0471．4[文献标志码]A[文章编号]1673—8012(2011)02—0041—04
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