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微观世界的秘密他们知道

作者: 李 艳 来源:科技日报
2019-01-09 07:58 

穿墙而过、死活不定,这些都是只会存在于神话中的想象,但在微观世界却是真实存在的。微观世界的运行由量子力学规律支配,会显示完全不同于宏观世界的现象。

能够在宏观尺度显示量子力学效应的量子材料现在是物理学、材料科学、电子学、量子信息等学科共同关注的焦点,而这正是清华大学薛其坤研究团队的突破所在。在过去几年里,薛其坤研究团队在量子材料的研究中取得一系列国际领先的科研成果,尤其是量子反常霍尔效应的首次实验发现,是世界物理学界近年来最重要的实验突破之一,引领了国际学术方向。

2019年开年之际,中科院院士薛其坤领导的清华大学、中科院物理所实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”被授予2018年度国家自然科学奖一等奖。

在微观世界里,在不需要强磁场的情况下,电子可在各自的跑道上按规则有序地、一往无前地奔跑,这是薛其坤对量子反常霍尔效应的通俗解释。正是他的团队在实验中最先观测到这一现象。

“在那个世界里,粒子怎么可以穿过势垒,电子为什么可以跳跃式地运动,这些奇妙的现象是偶然吗?到底是什么原理呢?”薛其坤说,兴趣和好奇心是支撑科学家在枯燥的实验和科研中坚持下去的原动力。

2008年前后,华裔物理学家、斯坦福大学的张首晟教授等理论物理学家提出了用磁性拓扑绝缘体实现量子反常霍尔效应的方案,从理论上提出这一材料实现量子反常霍尔效应的可能性,但能否在实验中发现它还是未知数。长期从事量子物理研究的薛其坤认识到,这是一个非常值得在中国进行深入探究的领域。从那时起,他和团队就展开了对拓扑绝缘体中新奇量子效应的实验研究。

在凝聚态物理中,量子霍尔效应占据着极其重要的地位。我们使用计算机的时候,会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的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改变这一现象,它可以用于发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件,降低芯片的发热和能量损耗问题,从而有可能推动信息技术的进步。

“然而,普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场(通常需要的磁场强度是地磁场的几万甚至几十万倍),应用起来非常昂贵和困难。”团队成员、清华大学教授何珂告诉记者,“量子反常霍尔效应的最美妙之处是不需要任何外加磁场,因此,这项研究成果将会推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术革命的进程。”

项目的5位主要完成人,薛其坤、王亚愚、何珂、马旭村、吕力都是相关领域颇有影响力的物理学家。“我们的团队有很多杰出的物理学家,大家为了一个科学目标走到一起,强强联手、攻艰克难,这将是以后科学研究的一个趋势。”薛其坤说。

长期以来,这个团队的样品制备人员和检测人员都“无缝对接”,保持高效运转。在量子反常霍尔效应的实验成功前,他们先后尝试了1000多个拓扑绝缘体样品。

薛其坤认为,对于他的研究团队来说,发现量子反常霍尔效应是下一程科学研究的开始,大家科学探索的道路从未停止。他表示,之前量子反常霍尔效应是在接近零下273摄氏度中实现的,要想真正实现应用,就需要把温度往上升,所以现在团队正在实验能否让量子反常霍尔效应在温度提高的情况下实现。(记者 李 艳)

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