记:多数人对量子反常霍尔效应不太明白。
薛:要理解量子反常霍尔效应,你得先理解量子霍尔效应,要理解量子霍尔效应,你得先理解霍尔效应。霍尔是美国科学家,他分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应。此后,整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应也相继被发现。
霍尔效应,是一个在物理上非常重要的电磁现象。咱用一个形象的比喻,计算机芯片里电子的运动从微观上看是无规则的。当它们从晶体管的一个电极到达另一个电极的时候,就像人从农贸市场的一端到达另一端,运动过程中总是碰到很多无序的障碍,它要走弯路,走弯路就会造成发热,效率就不高,这是目前晶体管发热的重要原因之一。量子霍尔效应给电子定义了一个规则,其运动不像农贸市场的运动那么杂乱,而是像高速公路上的汽车一样,按照规则,有序进行。
记:好比是电子运动的“交通规则”。
薛:对。它使得电子只能沿着边缘的一维通道运动,并且只能做单向运动,不能返回,这相当于建立了电子运动的“高速公路”,使其告别了杂乱无章的运动。
记:请具体谈谈量子反常霍尔效应。
薛:量子霍尔效应可以被用来实现低能耗高速电子器件,推动信息和能源产业的发展,对未来实现固体拓扑量子计算和信息处理的革命有直接的推动意义。然而,实现量子霍尔效应,需要十万高斯左右的强磁场(地磁场仅为0.5高斯),要产生这样的磁场不但价格昂贵,而且其体积庞大(冰箱那么大),这使得量子霍尔效应很难得到应用。于是,科学家们一直在寻找不需要外加磁场的量子霍尔效应,即量子反常霍尔效应。
记:我还没弄明白普通霍尔效应和反常霍尔效应的区别。
薛:反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同,这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转,反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化(即材料本身具有磁性)而产生的。
记:量子反常霍尔效应应用价值在哪里?
薛:最大的应用就是,从原理上来讲,可以推动下一代集成电路的发展,现在的集成电路,包括咱的笔记本电脑,大型计算机等,它用来做无用功的发热占到了将近三分之一,而量子反常霍尔效应,可以让计算机中的晶体管不发热。这不但可以提高速度,还能节约能源。
记:电脑用长了就发热。
薛:一开机,它就开始发热,一点点热,积攒起来就感觉很热了。第二,如果让它不发热,从理论上讲,它的集成度就能进一步增加。现在的情况是,你再增加就增加不下去了,笔记本电脑会速度变慢,甚至热得不能工作。
所以,利用量子反常霍尔效应,可以解决微电子技术的一些瓶颈性问题。现在我们电脑的用电量,是照明用电量的三分之一啊,你可以想象,每天有多少电浪费在这上面。如果解决了这个问题,对能源的节省将会是非常大的。
记:你多次说过材料很重要。在讲座中反复强调:material!material!material!
薛:它是这样,要观察到量子反常霍尔效应,需要拓扑绝缘体材料绝缘。要做到这一点,以单晶硅为例,这要求在一百万个硅原子中只能有一个杂质,你可以想象,百万分之一的杂质啊,这是很难的。如果做不到这一点,你就测不到这个性质,所以说,材料很重要。
杨志灵:怎么才能达到这种纯度?
薛:我们用的方法,非专业人士很难理解。它是靠生长动力学控制的。
常态下导体中电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上前进，没有相互碰撞所以不会发热。但是产生量子霍尔效应需要一定条件，就是加以强磁场。而量子反常霍尔效应，就是不加强磁场就能产生量子霍尔效应，如果这种技术能够成功，计算机运算速度超快，使用寿命增加，超节能......。
高温超导材料同样是目前高端科技研究的科目，超过液氮的温度能实现的超导材料都叫高温超导材料，但常温下就能超导的材料还没找到。如果有了常温超导材料，效果和量子反常霍尔效应一样。
区别我觉得，量子反常霍尔效应是利用电子自旋的性质，技术层次。超导，完全是利用导体超导的这一性质，材料层次。