又一山东蒙阴人接近诺贝尔奖(组图)

蒙阴家园

山东蒙阴人薛启坤获诺贝尔奖

　　领军人物：蒙阴人薛其坤

　　材料物理专家。中国科学院物理研究所研究员、清华大学教授。1963年12月19日生于山东蒙阴。1984年毕业于山东大学光学系，1990年、1994年先后获中国科学院物理研究所硕士、博士学位。2005年当选为中国科学院院士。2009年起，由薛其坤院士带领的清华大学物理系王亚愚、陈曦、贾金锋和中科院物理所马旭村、何珂、王立莉、吕力组成的联合实验团队，与方忠、戴希、张首晟等理论物理学家合作，开始向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。

　　据新华社4月10日电 未来的电脑不再需要散热器？这很有可能变为现实。清华大学和中科院物理所10日在北京宣布，他们组成的团队从实验中首次观测到量子反常霍尔效应。这一重大发现将可能加速推进信息技术革命，在未来研制出极低能耗的电子器件。著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁10日称赞其是诺贝尔奖级的成绩。

　　清华大学和中国科学院物理研究所10日在北京联合宣布：由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队最近取得重大科研突破，在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这一实验发现也证实了三年前中科院物理研究所与斯坦福大学理论团队的预言。

　　杨振宁表示，薛其坤及其团队做出的实验成果，是从中国的实验室里第一次做出了诺贝尔奖级的物理学成绩，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。

　　杨振宁说，获诺贝尔奖的具体条件无法定义，但他相信99%在前沿物理学做研究的人都会同意这是一个诺贝尔奖级的成果。过去人们总认为中国人不善于做实验，仿佛只会搞理论，其实中国已经有世界一流的实验室，加上中国人的勤奋和团队合作精神，是能够做出一流的实验的。

　　在过去4年间，薛其坤和他的团队测试了1000多个样本，克服重重障碍，才在极其严格的实验要求下完成这一实验。这项研究成果的长远意义在于将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进程。

　　据介绍，在当今信息社会，半导体技术飞速发展，但电脑运行中热量如何散发成为困扰半导体和信息产业发展的一个瓶颈问题。而量子反常霍尔效应的发现将有望解决这一难题，因为这一效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用，可用于制备低能耗的高速电子器件。科学家可使电子在不需要强磁场的情况下，按照固定轨迹运动，减少电子无规则碰撞导致的发热和能量损耗。通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，千亿次的超级计算机有望做成现在的iPad那么大。

　　薛其坤同时表示，因受目前科研条件等因素制约，从实验室到实际应用，要走的道路还很长。

　　资料

　　霍尔效应与反常霍尔效应

　　霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一个物理效应。在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压，这个电磁输运现象就是著名的霍尔效应。产生的横向电压被称为霍尔电压，霍尔电压与施加的电流之比则被称为霍尔电阻。由于洛伦兹力的大小与磁场成正比，所以霍尔电阻也与磁场成线性变化关系。

　　1880年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，因为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而产生的，因此是一类新的重要物理效应。

　　意义

　　与量子霍尔效应相关的发现之所以屡获学术大奖，是因为霍尔效应在应用技术中特别重要。人类日常生活中常用的很多电子器件都来自霍尔效应。这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用：无需高强磁场，就可以制备低能耗的高速电子器件，例如极低能耗的芯片，进而可能促成高容错的全拓扑量子计算机的诞生这意味着个人电脑未来可能得以更新换代。

　　此次发现或开启信息革命

　　超级计算机有望成iPad大小

　　加速推动信息技术革命

　　在认识量子反常霍尔效应之前，让我们先来了解一下量子霍尔效应 。薛其坤院士举了个简单的例子：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、相互碰撞从而发生热量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让其在各自的跑道上“一往无前”地前进。“这就好比一辆高级跑车 ，常态下是在拥挤的农贸市场上前进，而在量子反常霍尔效应下，则可以在"各行其道、互不干扰"的高速路上前进。”薛其坤打了个形象的比喻。

　　然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，“相当于外加10个计算机大的磁铁，这不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机。”薛其坤说，而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，千亿次的超级计算机有望做成现在的iPad那么大。

　　“量子反常霍尔效应可在未来解决摩尔定律瓶颈问题，它发现或将带来下一次信息技术革命，我国科学家为国家争夺了这场信息革命中的战略制高点。”拓扑绝缘体领域的开创者之一 、清华大学“千人计划”张首晟教授说。

　　20多年的世界难题破解

　　从美国物理学家霍尔丹于1988年提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，到我国科学家为这一预言画上完美句号，中间经过了20多年。课题组成员、中科院物理所副研究员何珂告诉记者：“量子反常霍尔效应实现非常困难，需要精准的材料设计、制备与调控。尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径，但所需的材料和结构非常难以制备，因此在实验上进展缓慢。”

　　“这就如同要求一个运动员同时具有刘翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的灵巧度。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度，而要同时满足这三点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战。”课题组成员、清华大学王亚愚教授这样描述实验对材料要求的苛刻程度。

　　实验中，材料必须具有铁磁性从而存在反常霍尔效应 ；材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献，只有一维边缘态参与导电；材料的能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态 ，即一维导电通道。

　　“科学王冠上的明星”

　　2010年，课题组完成了对1纳米到6纳米(头发丝粗细的万分之一)厚度薄膜的生长和输运测量，得到了系统的结果，从而使得准二维超薄膜的生长测量成为可能。

　　2011年，课题组实现了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控，使得其体材料成为真正的绝缘体，去除了其对输运性质的影响。

　　课题组克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，最终为这一物理界的预言画上了完美句号。

　　“实验成果出来以后，量子霍尔效应的发现者给我发了一封邮件。他写道：我深信拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应是科学王冠上的明星。”张首晟向记者展示了这封邮件。

　　《科学》杂志的一位审稿人说“这项工作毫无疑问地证实了与普通量子霍尔效应不同来源的单通道边缘态的存在。我认为这是凝聚态物理学一项非常重要的成就。”另一位审稿人说“这篇文章结束了多年来对无朗道能级的量子霍尔效应的探寻。这是一篇里程碑式的文章。”

　　据《中国科技报》

　　链接

　　该领域相关研究已三获诺奖

　　量子霍尔效应在凝聚态物理的研究中占据着极其重要的地位。它就像一个富矿，一代又一代科学家为之着迷和献身，他们的成就也多次获得诺贝尔物理奖。

　　1985年，诺贝尔物理奖颁给了德国科学家冯·克利青，他于1980 年发现了整数量子霍尔效应 。

　　1998年，诺贝尔物理奖颁给了美国科学家：美籍华人物理学家崔琦、施特默和劳弗林。前两人于1982年发现了分数量子霍尔效应 ，而后者则对这一效应进一步给出了理论解释。

　　2010年，诺贝尔物理奖颁给了英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。他们俩在2005年发现了石墨烯中的半整数量子霍尔效应。

　　此外，量子化自旋霍尔效应于2007年被发现，2010年获得欧洲物理奖，2012年获得美国物理学会巴克利奖。

图解"量子反常霍尔效应"