反常霍尔效应(未来科技革命有望产生)

制作人:科普中国

制作:章昊大阪大学

制作人:计算机网络信息中心

2018年全国科学技术奖励大会于2019年1月8日在北京召开。由中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤教授领衔的清华大学与中国科学院物理研究所实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”项目，获得了今年国家自然科学奖唯一一等奖。

这项发表于2013年的研究工作被称为中国本土实验室诞生的诺贝尔奖级重大成果。5年后获得国家自然科学奖一等奖，代表了我国自然科学研究的最高成就，当之无愧。那么，量子反常霍尔效应是一种什么样的物理现象呢？为什么它的发现能引起如此巨大的反响？真的能用来造下一代电子计算机吗？

本文将从经典电磁学中的霍尔效应入手，逐步带领读者看到固体物理研究的前沿。

霍尔效应——老树开新花

不难看出，在“量子异常霍尔效应”的名称中，有一个中心词“霍尔效应”。无论多么“量子”或“反常”，本质上都是认祖归宗后的一种“霍尔效应”。这一电磁学领域的经典效应在140年前就被发现，目前已经成为高中物理教材的重要组成部分。让我们简单回顾一下，唤醒读者久违的记忆。

霍尔效应是指将条形导体置于垂直于其表面的磁场中，电流沿长度方向流动，导体中的电荷在洛伦兹力的作用下会偏向导体的一个长边，然后在导体的宽度方向产生(霍尔)电压的现象。下图清晰地展示了霍尔效应的产生原理。

Peo的霍尔效应示意图

起初，自由电子在没有电的导体中不规则、随机地运动。

图1:电子在无动力导体中不规则运动。来源:中国科学博览会。

当两端外接电源导体形成回路时，电流流过导体，导体中的电子沿长度方向漂移。

图2:外接电源形成回路后的导线，来源:中国科博会

此时，磁场加入后，电子受到洛伦兹力的偏转，偏转的结果是大量的电子堆积在导体的一侧，一些堆积在这个中的电子会产生纵向电压。

图3，外磁场作用后导电回路中的电子运动，来源:中国科学博览会。

最终纵向电压施加在电子上的电磁力和磁场形成的洛伦兹力会达到平衡，使后面的电子可以顺利通过而不产生偏差，此时产生的内置电压称为霍尔电压。

图4。平衡建立后的导体电路。来源:中国科学博览会。

在过去的140年里，霍尔效应被广泛应用于电力电子领域，尤其是传感器领域。现代汽车应用霍尔效应原理制成的霍尔元件包括汽车速度计和里程表、各种电负载的电流检测和工作状态诊断、发动机转速和曲轴转角传感器、各种抗干扰开关等。

建立霍尔平衡过程示意图

量子霍尔效应——欢迎来到量子世界！

霍尔效应的概念本身很容易理解。与量子理论结合会产生怎样的火花？

我们知道，与我们日常在宏观世界中的经验完全不同的量子理论，在物理研究对象本身的维度进入微观领域时，会控制各种物理规律。这时，一些物理量的连续变化会是间歇变化，反映量子特性。举一个不准确的例子，宏观世界的苹果有大有小，苹果的大小是可以不断变化的。但是在微观世界中，苹果的大小并不是连续变化的，而是相当于某个基本苹果大小的整数倍，并没有其他大小的微观苹果。

在量子力学的世界里，很多物理量都是某个基本值的整数倍。

跟随量子霍尔效应的话题，高中物理知识告诉我们，在无限均匀的平面磁场中，以垂直于磁感应线的方向入射的初速度非零的电子会作匀速圆周运动。在经典的霍尔效应导体中，虽然载流电子在磁场的作用下会发生偏转，但由于偏转半径较大，在完成圆周运动之前，会在导体的一侧积累。

那么，有没有什么条件可以让霍尔效应导体中的载流电子在导体内部循环运动呢？这样的条件真的存在！在足够低的温度和非常强的外部磁场下，电子的偏转半径将显著减小，从而有可能完成导体内部的圆周运动。

图5:量子霍尔效应示意图，来源:中国科学博览会

这时，导体内部似乎有无数个高速旋转的“陀螺”。当外加磁场继续增大时，电子的回旋半径将进一步减小。当它小到类似于电子本身的微观层次时，就会发生量子效应！当量子霍尔效应发生时，导体内部的电子原地做圆周运动，而导体边缘的电子形成传导路径。

量子霍尔效应示意图，当外加磁场不断增大时，电子回旋半径不断减小。

我们用霍尔电压与通过电流之比来定义霍尔电阻的物理量。当外磁场较小时，霍尔电阻会随着外磁场的增大而增大，两者之间呈线性关系。当施加的磁场继续增加到一定值时，霍尔电阻将保持不变。如果施加的磁场进一步增大，霍尔电阻会突然跳到一个新的平台上，整体曲线呈阶梯状。这种不连续的变化趋势是量子效应的显著特征。

量子霍尔效应的物理特性

魔法不止于此。如果我们同时关注霍尔导体本身的电阻，就会发现当霍尔电阻在平台上时，导体本身的电阻就消失了！事实上，此时导体内部的广大区域没有电流，电流只在导体边缘流动。

量子反常霍尔效应——开启电子技术新时代

量子霍尔效应有许多神奇迷人的特性，但它的产生依赖于强外磁场的条件，因此缺乏实用性。试想一下，如果我们开发一种具有量子霍尔效应的超导芯片，虽然它具有发热低、速度快的有益特性，但可能需要配备一个冰箱大小的强磁场发生器来维持其运行，这是我们无法接受的。

那么，有没有一种材料可以独立于强磁场产生量子霍尔效应呢？这种材料是众所周知的拓扑绝缘体。自2007年出现以来，拓扑绝缘体引起了全世界与石墨烯相当的关注。受此启发，薛教授及其团队将拓扑绝缘体与铁磁材料有机结合，实现了无需外加磁场即可在低温下观测到的量子霍尔效应。为了显示这种差异，这种新现象被称为量子反常霍尔效应。

图6:拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应，来源:中国科学博览会

量子霍尔效应为实现超高性能电子器件提供了可能的途径，可以大大降低电路的发热，提高开关频率和工作速度。而中国科学家最早发现的反常量子霍尔效应，则进一步摆脱了强磁场的束缚，实现器件小型化成为可能。如果能进一步解决相关技术障碍，提高可用温度，希望未来应用场景进一步拓展。

参考文献:

http://blog.miraikan.jst.go.jp/topics/20161209-2016-1.html

http://www.riken.jp/pr/press/2014/20140818_1/#fig1

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http://www.cailiaoniu.com/46956.html

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