世界級難題由中國團隊攻克

長時間使用計算機時，會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題，這是因為常態下芯片中的電子運動沒有特定的軌道，它們相互碰撞從而發生能量損耗。量子霍爾效應的發現，為我們突破摩爾定律和集成電路的發展提供了一個全新的原理。這是物理學基本研究為未來工業界發展提供的嶄新道路。

但它的產生需要非常強的磁場，相當于外加10個計算機大的磁鐵，這樣體積龐大且價格昂貴，顯然不適合個人電腦和便攜式計算機。而量子反?；魻栃拿烂钪幨遣恍枰魏瓮饧哟艌?，即可實現電子的有序運動，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。

2010年左右，包括中國華人物理學家張首晟教授在內的科學家，在理論上預言了一種叫做拓撲絕緣體的新的材料，拓撲絕緣體就是內部絕緣、表面導電的拓撲材料，這些表面導電通道不受表面形貌、非磁雜質等的影響，所以是很好的一維導體。如果在其中摻入磁性原子形成長程鐵磁序，這樣無需外加磁場，就能形成穩定的基本沒有耗散的量子反?；魻栃?/p>

如何用實驗來證明上述理論呢？用實驗驗證量子反?；魻栃年P鍵是制備出一種像石墨烯那樣，一層一層平整的納米材料。

（圖片來源：https://upload-images.jianshu.io/upload_images/3390801-9d68ccd2108f9fc4.jpg） 量子反?；魻栃獙Σ牧闲再|的要求非?？量?，如同要求一個人同時具有短跑運動員速度、籃球運動員高度和體操運動員靈巧：材料能帶結構必須具有拓撲特性從而具有導電的一維邊緣態；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反?；魻栃?；材料體內必須為絕緣態從而只有一維邊緣態參與導電。在實際材料中實現以上任何一點都具有相當大的難度，而要同時滿足這三點對實驗物理學家來講更是巨大挑戰。

自2009年起，中國科學院院士薛其坤帶領實驗團隊向量子反常霍爾效應的實驗實現發起沖擊。歷經四年努力，團隊生長和測量了1000多個樣品，利用分子束外延的方法生長出了高質量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，將其制備成輸運器件，并在極低溫環境下對其磁電阻和反?；魻栃M行了精密測量。終于發現在一定的外加柵極電壓范圍內，此材料在零磁場中的反?；魻栯娮柽_到了量子霍爾效應的特征值，世界難題得以攻克。

（圖片來源：《科學》（Science）雜志）

結語

量子反常霍爾效應可在未來解決摩爾定律的瓶頸問題，若應用到電子器件中，有望克服目前計算機發熱耗能等帶來的一系列問題，為半導體工業帶來又一次的革命，甚至使巨型銀河計算機變得更加便攜，它的發現或將帶來下一次信息技術革命。

編輯：黃飛