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量子反常霍尔效应有多反常?或将带来下一次信息技术革命!

本文转自“科学大院”公众号(ID:kexuedayuan)

量子反常霍尔效应,对普通人来说,拗口而晦涩。但在物理学家眼中,它“神奇”又“美妙”。因为它的发现可能带来下一次信息技术革命。采用这种技术设计集成电路和元器件,千亿次的超级计算机有望做成平板电脑那么大,智能手机的内存可能会提高上千倍!

那么什么是量子反常霍尔效应?它到底有多反常?对它的研究为什么引起世界各国科学家的兴趣?

量子霍尔效应:电子运动的“交通规则”

在普通导体中,电子的运动轨迹杂乱无章,不断发生碰撞。当在导体两端加上电极之后,电子就会形成横向漂移的稳定电流。而电流在传输中会存在能量损耗的现象。

如果在垂直于电流方向加上外磁场,材料里的电子由于磁场的作用力,会在导体一边形成积累电荷,最终会达到平衡形成稳定的霍尔电压。

当外场足够强,温度足够低时,导体中间的电子会在原地打转,会在边界上形成不易被外界干扰的半圆形导电通道,即量子霍尔效应。量子霍尔效应可以让电子在各自的跑道上“一往无前”地运动,降低能量损耗。

(图片来源:http://www.tsinghua.edu.cn)

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,整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、半整数量子霍尔效应相继获得诺贝尔奖。

但是,在量子霍尔效应家族里,一个神秘成员是“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应,迟迟没有被人发现。

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长时间使用计算机时,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,它们相互碰撞从而发生能量损耗。量子霍尔效应的发现,为我们突破摩尔定律和集成电路的发展提供了一个全新的原理。这是物理学基本研究为未来工业界发展提供的崭新道路。

但它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,这样体积庞大且价格昂贵,显然不适合个人电脑和便携式计算机。而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场,即可实现电子的有序运动,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

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