反常霍尔效应(未来科技革命有望由此产生)

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反常霍尔效应(未来科技革命有望由此发生)

出品:科普中国

制造:大阪大学 张昊

监制:中国科学院盘算机网络信息中心

2018年度国度科技嘉奖大会于2019年1月8日在北京举办,中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤教授引导的清华大学、中科院物理研讨所试验团队完成的“量子反常霍尔效应的试验发明”项目,获得本年度国度自然科学奖项中唯一的一等奖。

这项发表于2013年的研讨工作被称为是出生在中国本土试验室的诺奖级重大结果,五年后斩获代表我国自然科学类研讨最高造诣的国度自然科学奖一等奖,可谓实至名归。那么,量子反常霍尔效应到底是一种怎样的物理现象,它的发明为何能引起如此伟大的反应,应用它真的能够造出下一代电子盘算机吗?

这篇文章将从经典电磁学中的霍尔效应说起,逐步率领各位读者一窥当今固体物理学研讨的最前沿。

霍尔效应——老树开新花

不难看出“量子反常霍尔效应”的名字中有“霍尔效应”这个中心词,无论多么“量子”,多么“反常”,认祖归宗之后实质上还是一种“霍尔效应”。这一电磁学范畴的经典效应发明于140年前,现早已成为了高中物理课本中的主要内容。我们且做一个简略回想,唤醒各位读者沉睡已久的记忆。

霍尔效应是指,如果将条形导体置入与其表面垂直的磁场,并在长度方向通过电流时,导体内的电荷将在洛伦兹力的作用下倾向导体的某条长边,继而在导体内部宽度方向上发生(霍尔)电压的现象。下方的示意图非常清楚的表示了霍尔效应的发生原理。

霍尔效应示意图,作者Peo

最初,自由电子在未通电的导体内部做不规矩的混乱活动。

动图1:未通电导体中无规矩活动的电子,起源:中国科普博览

当在两端外接电源导线,形成回路后,电流从导体流过,导体内电子做沿着长度方向的漂移活动。

动图2:外加电源形成回路后的导体,起源:中国科普博览

此时再参加磁场后,电子受到洛伦兹力作用,产生偏转,偏转的成果将使得大批电子堆积于导体一侧,这些堆积的电子将发生纵向电压。

动图3,外加磁场后导电回路中的电子活动,起源:中国科普博览

最终,纵向电压向电子施加的电磁力与磁场形成的洛伦磁力将到达平衡,使得后来的电子能顺利通过不会偏移,此时发生的内建电压称为霍尔电压。

动图4,树立平衡后的导体回路,起源:中国科普博览

在发明140余年的时光里,霍尔效应在电力电子,特殊是传感器等范畴获得了普遍的运用。现代汽车上运用霍尔效应原理制成的霍尔器件包含,汽车速度表及里程表,各种用电负载的电流检测及工作状况诊断,动员机转速及曲轴角度传感器,各种抗干扰开关等等。

树立霍尔平衡进程的示意图

量子霍尔效应——欢迎进入量子世界!

霍尔效应的概念本身还算易于懂得,当其与量子理论联合时又将擦出怎样的火花呢?

我们知道,当物理学研讨对象本身的维度进入到微观范畴时,与我们在宏观世界中的日常经验完整迥异的量子理论就将掌控各种物理规律。此时,若干物理量的持续变更将出现为间断性变更,体现出量子特点。举个不太确实的例子,宏观世界的苹果,有大有小,苹果的大小可以持续变更。而微观世界中的苹果,大小就不是持续变更的了,而是相当于某个基本苹果尺码的整数倍,不存在其它尺码的微观苹果。

在量子力学的世界中,很多物理量都是某一基本值的整数倍

持续量子霍尔效应的话题,高中物理知识告知我们,在无穷大均匀平面磁场中,以垂直磁感线方向入射的初速不为零的电子将做匀速圆周活动。而在经典的霍尔效应导体中,载流电子虽然会在磁场作用下产生偏转,但由于偏转半径很大,尚未完成圆周活动就会堆积在导体一(www.isoyu.com原创版权)侧。

那么,有没有什么条件可以让霍尔效应导体中的载流电子在导体内部完成圆周活动呢?这样的条件还真的存在!在足够低的温度,和非常强的外加磁场下,电子的偏转半径将明显百思特网减小,从而可能在导体内部完成圆周活动。

动图5:量子霍尔效应示意百思特网图,起源:中国科普博览

此时的导体内部仿佛存在无数个高速转动的“陀螺”。当外加磁场持续增大,电子的盘旋半径将进一步缩小,当它小到与电子本身近似的微观程度时,量子效应就发生了!产生量子霍尔效应时,导体内部电子原地圆周活动,而导体边沿电子形成导电通

量子霍尔效应示意图,当外加磁场连续增长,电子盘旋半径连续减小

我们用霍尔电压与通过电流的比值定义霍尔电阻这个物理量。当外加磁场比拟小时,霍尔电阻将随着外加磁场的增长而增长,两者出现线性关系。当外加磁场持续增长到某一值后,霍尔电阻将保持不变。若外加磁场进一步增长,霍尔电阻将忽然跃上一个新的平台,曲线整体出现阶梯状。这样不持续的变更趋势,正是量子效应的明显特点。

量子霍尔效应产生时的物理特征

神奇的处所还不止于此,如果我们同时关注该霍尔导体本身的电阻,我们会发明当霍尔电阻位于平台的时候,导体自身的电阻消逝了!实际上,此时导体内部的辽阔区域中是没有电流通过的,电流只在导体的边沿流动。

量子反常霍尔效应——开启电子技巧新时期

量子霍尔效应具有多种神奇而充斥魅力的特色,但是它的发生须要依附于强外加磁场的条件,因此缺少适用性。试想,如果开发一枚具备量子霍尔效应的超导芯片,虽然其本身具有低发热、高速度等有益特色,但保持其运转可能要配备上一台冰箱一样大小的强磁场产生器,这是我们无法接收的。

那么,有没有一种材质可以不依附强磁场就能发生量子霍尔效应呢?这种材质就是大名鼎鼎的拓扑绝缘体。自从2007 年面世后,拓扑绝缘体在全世界吸引了堪比石墨烯的关注度。薛教授和其团队正是受其启示,将拓扑绝缘体和铁磁性材质有机联合,实现了低温下无需外增强磁场就能观测到的量子霍尔效应。为了体现差别,这种新的现象被称为量子反常霍尔效应。

动图6:拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应,起源:中国科普博览

量子霍尔效应供给了一种实现超高性能电子器件的可能门路,能够极大下降电路的发热,进步开关频率和运行速度。而中国科学家率先发明的反常量子霍尔效应,进一步解脱了强磁场的枷锁,有条件实现器件的小型化。如果能进一步解决相干的技巧障碍,进步可用温度,有愿望在未来进一步拓展运用场景。

参考文献:

  1. http://blog.miraikan.jst.go.jp/topics/20161209-2016-1.html

  2. http://www.riken.jp/pr/press/2014/20140818_1/#fig1

  3. https://www.guancha.cn/industry-science/2019_01_08_486094.shtml

  4. http:百思特网//www.cas.cn/zt/kjzt/zgkxysewbzxzdjz/njtwzkxrgqywt/sp/201601/t20160105_4513687.shtml

  5. https://www.zhihu.com/question/47547396

  6. http://www.cas.cn/zt/kjzt/zgkxysewbzxzdjz/njtwzkxrgqywt/

  7. http://www.xinhuanet.com/politics/2019-01/08/c_1210032942.htm

  8. http://china.cnr.cn/yaowen/201304/t20130411_512335522.shtml

  9. http://www.cailiaoniu.com/46956.html

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