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未来科技革命有望由此产生 反常霍尔效应


未来科技革命有望由此产生 反常霍尔效应

文章插图
异常霍尔效应(未来科技革命有望产生)
出品:科普中国
制作:章昊大阪大学
监制:计算机网络信息中心
2018年国家科学技术奖励大会于2019年1月8日在北京举行 。由中科院院士、清华大学副校长薛其坤教授领衔的清华大学和中科院物理所实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”项目，获得了今年国家自然科学奖唯一一等奖 。
这项发表于2013年的研究工作，被称为诞生于中国本土实验室的诺贝尔奖级重大成果 。5年后获得了代表我国自然科学研究最高成就的国家自然科学奖一等奖，实至名归 。那么，量子反常霍尔效应是一种什么样的物理现象呢？为什么它的发现能引起如此巨大的反响？真的可以用来建造下一代电子计算机吗？
本文将从经典电磁学中的霍尔效应入手，逐步带领读者看到固体物理研究的前沿 。
霍尔效应——老树开新花
不难看出，“量子反常霍尔效应”的名称中有中心词“霍尔效应” 。无论如何“量子”和“变态”，本质上都是认祖归宗后的一种“霍尔效应” 。这一电磁学领域的经典效应是在140年前发现的，它早已成为高中物理教科书的重要组成部分 。让我们做一个简单的回顾，唤醒读者久违的记忆 。
霍尔效应(Hall effect)是指如果将条形导体置于与其表面垂直的磁场中，有电流沿长度方向流动，导体中的电荷在洛伦兹力的作用下会偏向导体的一个长边，然后在导体的宽度方向产生一个(霍尔)电压的现象 。下图清楚地显示了霍尔效应的产生原理 。
Peo制作的霍尔效应示意图
起初，自由电子在没有电的导体内部无规则地随机运动 。
图1:电子在未通电的导体中不规则运动 。来源:中国科学博览会 。
当两端外接电源导体形成回路时，电流流过导体，导体中的电子沿长度方向漂移 。
图2:外部电源形成回路后的导体，来源:中国科学博览会
此时加入磁场，电子受到洛仑兹力，信息资源网络发生偏转 。偏转的结果是大量的电子堆积在导体的一侧，这些堆积的电子会产生纵向电压 。
图3，外磁场后导电电路中的电子运动，来源:中国科学博览会 。
最终纵向电压作用在电子上的电磁力和磁场形成的洛伦兹力会达到一个平衡，使得后面的电子能够顺利通过而不会跑偏，此时产生的内建电压称为霍尔电压 。
图4 。建立平衡后的导体电路 。来源:中国科学博览会 。
在过去的140年里，霍尔效应被广泛应用于电力电子领域，尤其是传感器领域 。现代汽车中应用霍尔效应原理制成的霍尔元件包括汽车车速里程表、各种用电负载的电流检测和工作状态诊断、发动机转速和曲轴转角传感器、各种抗干扰开关等等 。
建立霍尔平衡过程示意图
量子霍尔效应-欢迎来到量子世界！
霍尔效应的概念本身就很好理解 。和量子论结合会擦出什么样的火花？
我们知道，在宏观世界与我们日常经验完全不同的量子理论，在物理研究对象本身的维度进入微观领域时，会支配各种物理规律 。此时，一些物理量的连续变化会是间歇变化，体现量子特性 。举个不准确的例子，宏观世界的苹果有大有小，苹果的大小可以不断变化 。但在微观世界中，苹果的大小并不是连续变化的，而是相当于某个基本苹果大小的整数倍，并不存在其他大小的微型苹果 。
在量子力学的世界里，很多物理量都是某个基本值的整数倍 。
继续量子霍尔效应的话题，高中物理知识告诉我们，在无限大的均匀平面磁场中，初速度不为零的电子在垂直于磁感应线的方向入射，会做匀速圆周运动 。在经典霍尔效应导体中，虽然载流电子在磁场的作用下会发生偏转，但由于偏转半径较大，在完成圆周运动之前，会在导体的一侧积累 。
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循环运动呢？这样的条件真的存在！在足够低的温度和非常强的外磁场下，电子的偏转半径会显著减小，从而有可能完成导体内部的圆周运动 。
图5:量子霍尔效应示意图，来源:中国科学博览会
这时，导体内部似乎有无数个高速旋转的“陀螺” 。当外加磁场继续增大时，电子的回旋半径会进一步减小 。当小到和电子本身相似的微观水平时，就会发生量子效应！量子霍尔效应发生时，导体内部的电子原地做圆周运动，而导体边缘的电子形成导电通路 。
量子霍尔效应示意图，当外加磁场不断增大时，电子回旋半径不断减小 。


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