薛其坤发现的量子霍尔反常效应,为什么说是诺奖级别的成就?
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发布时间：2022-04-26 20:14
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时间：2022-07-09 16:50
1879 年，美国物理学家霍尔在研究金属的导电机制时发现，带电粒子（例如电子）在磁场中运动时会受到洛伦兹力的作用发生偏转，那么在磁场中的电流也有可能发生偏转。当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，在导体两端堆积电荷从而在导体内部产生电场，其方向垂直于电流和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力相平衡时，载流子不再偏转。而此时半导体的两端会形成电势差。
其中运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力，即磁场对运动电荷的作用力。我们在中学都学习过左手定则的方法，将左手掌摊平，让磁感线穿过手掌心，四指表示正电荷运动方向，则和四指垂直的大拇指所指方向即为洛伦兹力的方向。但须注意，运动电荷是正的，大拇指的指向即为洛伦兹力的方向。反之，如果运动电荷是负的，仍用四指表示电荷运动方向，那么大拇指的指向的反方向为洛伦兹力方向。
而载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。霍尔的发现后来被称为“霍尔效应”，这个电势差也被称为霍尔电势差。
简单来说，霍尔效应它定义了磁场和感应电压之间的关系。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个横向的作用力，从而在导体的两端产生电压差
虽然这个效应多年前就已经被人们知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器，广泛应用于电力系统中。
霍尔效应示意图，作者Peo
人们按照霍尔效应开发的各种霍尔元件被广泛应用于精密测磁、自动化控制、通信、计算机、航空航天等工业部门和国防领域。
按经典霍尔效应理论，霍尔电阻RH (RH=U/I=K. B/d= B/nqd) 应随B连续变化并随着n (载流子浓度)的增大而减小，但是到了 1980 年，著名物理学家冯·克里津从金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)发现了一种新的量子霍尔效应。他在硅MOSFET管上加两个电极，再把这个硅MOSFET管放到强磁场和极低温下，发现霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现了一系列平台，与这些平台相应的霍尔电阻Rh=h/(ne2)，其中n是正整数1，2，3……。也就是说，这些平台是精确给定的，是不以材料、器件尺寸的变化而转移的。它们只是由基本物理常数h(普朗克常数)和e(电子电荷)来确定。
这被称为整数量子霍尔效应，后来科学家还发现了分数量子霍尔效应。
当时，物理学者认为除了夸克一类的粒子之外，宇宙中的基本粒子所带的电荷皆为一个电子所带的电荷-e（e=1.6×10-19库伦）的整数倍。而夸克依其类别可带有±1e/3或±2e/3电荷。夸克在一般状况下，只能存在于原子核中，它们不像电子可以自由流动。所以物理学者并不期待在普通凝体系统中，可以看到如夸克般带有分数电子电荷的粒子或激发态。
但是在1982年，华人科学家崔琦和史特莫在二维电子系统中现了分数化的霍尔电阻平台。一开始是发现了?和?两个平台。之后他们制造出了更纯的样品, 更低的温度, 更强的磁场. 85mK 和 280kG, 这是人类第一次在实验室中实现如此低的温度和如此强的磁场(地磁场是 mG 的量级). 这样的实验技术令人叹为观止，他们也因此观察到了更加丰富的结构: 他们也因此观察到了更加丰富的结构。他们的发现由此被称为分数量子霍尔效应。
冯·克里津获得1985年诺贝尔物理学奖，而崔琦和史特莫则获得了 1998 年诺贝尔奖。到了2005年，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，斩获2010年的诺贝尔物理学奖。
简单来说，量子霍尔效应一般都是在超低温和强磁场等极端条件下出现。在极端条件下，电子的偏转不再像普通霍尔效应中一样，而是变得更加剧烈并且偏转半径变得很小，仿佛就在导体内部围绕着某点转圈圈。也就是说，导体中间的部分电子被“锁住了”，要想导通电流只能走导体的边缘。
量子霍尔效应与霍尔效应最大的不同之处在于横向电压对磁场的响应明显不同. 横向电阻是量子化的:
2018年12月18日，英国《自然》杂志刊登复旦大学物理学系修发贤课题组的最新研究成果《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》，这也是中国科学家首次在三维空间中发现量子霍尔效应。
后来，中国科技大学与其合作团队在《自然》刊登论文表示，他们通过实验验证了三维量子霍尔效应，并发现了金属-绝缘体的转换。他们发现，人们能够通过控制温度和外加磁场实现金属-绝缘体的转化。这种原理可以用来制造“量子磁控开关”等电子元器件。三维量子霍尔效应材料中的电子迁移率都很快，电子能快速传输和响应，在红外探测、电子自旋器件等方面拥有应用前景。再次，三维量子霍尔效应因具有量子化的导电特性，还能应用于特殊的载流子传输系统。
这个时候，就要讲到量子反常霍尔效应了，因为霍尔效应实现量子化，有着两个极端苛刻的前提条件：一是需要十几万高斯的强磁场，而地球的磁场强度才不过0.5高斯；二是需要接近于绝对零度的温度。
在此背景下，科学家们又提出了一个设想：普通状态下的霍尔现象会出现反常，那么，量子化的霍尔现象是否也能出现反常？如果有，不是就可以解决外加高磁场的先决条件了吗？
也就是说量子反常霍尔效应它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。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。自1988年开始，就不断有理论物理学家提出各种方案，然而在实验上没有取得任何进展。
我们可以用一个简单的比喻，来说明量子霍尔效应和量子反常霍尔效应之间的关系，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、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上“一往无前”地前进。
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。”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。
2006年, 美国斯坦福大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向。2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等有多个世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应，但一直没有取得突破。因此量子反常霍尔现象也被称为物理学研究皇冠上的明珠。
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*。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。
2009 年，薛其坤和他的团队也开始了对量子反常霍尔效应的攻坚之路，薛其坤在许多人的眼里，并不算是一个天才。
1963 年，薛其坤出生山东省沂蒙山区的一个小村庄，家里兄弟姐妹比较多。读小学、中学时，农村条件还相对落后，大人们都在为生计而努力。薛其坤也没有做什么物理学家的梦，只是有书读那就读。后来，国家恢复高考的消息传来，薛其坤觉得不能浪费这个机会，就开始用心备战高考。
1980 年，17岁的薛其坤考入山东大学光学系，之所以选择光学系也是因为老师推荐了这个专业，对什么专业都不懂的薛其坤依葫芦画瓢填了这个专业。1984年毕业的薛其坤开始边工作边考研，结果考了三次才考上中科院物理所。1990 年硕士毕业之后，结果又花了 7 年时间才拿到博士文凭。
薛其坤有个外号，叫“7-11院士”。熟悉他的人都知道，早上7点进实验室，一直干到晚上11点离开，这样的作息，薛其坤坚持了20年。薛其坤认为自己既然不是“天才”，那就做个“笨人”吧。做好一个“笨人”，才是不容易的。
从2009 年，薛其坤团队经过近5年的研究，从拓扑绝缘体材料生长初期的成功，再到后期克服实验中的重重难关，薛其坤团队付出了常人难以想象的努力。但实验最终的成功与否，还要看一个标志性实验数据——在零磁场中，能否让磁性拓扑绝缘体材料的霍尔电阻跳变到25813欧姆的量子电阻值。
他们生长测量了1000多个样品。最终，他们利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。这是首次在实验上发现量子反常霍尔效应。
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*，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。
2012年初，课题组在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性，并利用外加栅极电压对其电子结构进行原位精密*。
2012年10月，课题组终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2—25800欧姆——世界难题得以攻克。
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*，最终为这一物理现象的实现画上了完美的句号。
近5年艰苦卓绝的协同攻关，薛其坤团队克服薄膜生长、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*，最终为这一物理现象的实现画上了完美句号。
《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。”
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