齊魯網(wǎng)·閃電新聞6月25日訊 2023年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎6月24日在京揭曉，從沂蒙山區(qū)走出來的中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授薛其坤獲得中國科技界崇高榮譽(yù)。薛其坤是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域著名科學(xué)家，取得多項(xiàng)引領(lǐng)性的重要科學(xué)突破，他率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次實(shí)驗(yàn)觀測到量子反常霍爾效應(yīng)，在國際上產(chǎn)生重大學(xué)術(shù)影響。
那么，量子反常霍爾效應(yīng)是什么？有什么意義？閃電新聞為您科普。
2023年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎獲得者、中國科學(xué)院院士薛其坤
量子反常霍爾效應(yīng)是什么？
量子科技是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域。
1879年，埃德溫?霍爾發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。
1980年，馮?克利青發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)，即在強(qiáng)磁場的作用下，電流只在二維電子系統(tǒng)的邊緣流動，并且沒有電阻。
科學(xué)家們進(jìn)一步探索，希望發(fā)現(xiàn)一種不依賴于強(qiáng)磁場也能產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)的材料。這個材料可以給看不見摸不著的電子建立一個“高速公路”，沒有電阻，從而有可能解決電子器件發(fā)熱的根本問題。這個不依賴強(qiáng)磁場也能產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)的現(xiàn)象就是量子反常霍爾效應(yīng)。
量子反常霍爾效應(yīng)，被認(rèn)為是量子霍爾效應(yīng)家族最后一個重要成員，是探索更多量子奧秘的重要窗口，同時推動新一代低能耗電子學(xué)器件領(lǐng)域的發(fā)展。
量子反常霍爾效應(yīng)就是在磁性材料中不通過外加磁場，而自發(fā)產(chǎn)生的電流及磁化反應(yīng)。這一效應(yīng)在1988年被理論預(yù)言后，一直沒有實(shí)質(zhì)進(jìn)展。
薛其坤帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近4年研究，生長測量了1000多個樣品，最終，2012年，薛其坤和團(tuán)隊(duì)終于成功地在實(shí)驗(yàn)上觀測到了量子反常霍爾效應(yīng)，這成為“世界首次”！
該成果于2013年3月在美國《科學(xué)》（Science）期刊發(fā)表，審稿人予以高度評價，稱之為“凝聚態(tài)物理界一項(xiàng)里程碑式的工作”。
量子反常霍爾效應(yīng)的示意圖，拓?fù)浞瞧接沟哪軒ЫY(jié)構(gòu)產(chǎn)生具有手征性的邊緣態(tài)，從而導(dǎo)致量子反常霍爾效應(yīng)
三項(xiàng)非常苛刻的條件
量子反常霍爾效應(yīng)在凝聚態(tài)物理中占據(jù)著重要的地位。
要實(shí)現(xiàn)這一不可思議的量子現(xiàn)象，所需要的實(shí)驗(yàn)材料必須同時滿足三項(xiàng)非常苛刻的條件：
1.材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦裕瑥亩哂袑?dǎo)電的一維邊緣態(tài)；
2.材料必須具有長程鐵磁序，從而存在反常霍爾效應(yīng)；
3.材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)，從而對導(dǎo)電沒有任何貢獻(xiàn)。
這就如同要求一個人同時具有短跑運(yùn)動員的速度、籃球運(yùn)動員的高度和體操運(yùn)動員的靈巧，其難度可想而知。
薛其坤院士接受采訪時表示：量子反常霍爾效應(yīng)，就是在拓?fù)浣^緣體這個材料中，存在著一個關(guān)于電子運(yùn)動的全新的規(guī)律。對我們科學(xué)家來講也是一個非常奇妙神奇的物理現(xiàn)象，所以我們非常希望把它的謎解開，看看它是不是存在。
量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的最終測量樣品和數(shù)據(jù)
它的發(fā)現(xiàn)有什么重要意義？
薛其坤曾在央視節(jié)目《開講啦》中提到：“電子在運(yùn)動的過程中，它就互相發(fā)生碰撞，碰回來以后，電子會走彎路，這個器件消耗的電就會更多，就會使器件發(fā)熱，比如你打一會兒手機(jī)，手機(jī)就發(fā)熱了。量子反常霍爾效應(yīng)，不用磁場就能使電子在我們的電子器件中有序的運(yùn)動，沒有產(chǎn)生這種碰撞就不會發(fā)熱，就會大大減小電子器件的能量消耗，比如說，現(xiàn)在手機(jī)的待機(jī)時間是一天，可能用了這個效應(yīng)，就能待機(jī)兩天到三天。”
現(xiàn)在，薛其坤仍奮戰(zhàn)在科研一線，率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)為解決高溫超導(dǎo)機(jī)理問題、高溫量子反常霍爾效應(yīng)和拓?fù)淞孔游飸B(tài)的應(yīng)用、拓?fù)淞孔佑?jì)算的實(shí)現(xiàn)等重大科學(xué)問題繼續(xù)努力奮斗。
綜合新華網(wǎng)、央視新聞、《開講啦》、清華大學(xué)官網(wǎng)、北青網(wǎng) 報道
