最近，由中科院物理所和清華大學(xué)等機構(gòu)的科研人員組成的團隊，首次成功實現(xiàn)“量子反?；魻栃?yīng)”。該結(jié)果于3月14日在線發(fā)表于美國《科學(xué)》雜志。
在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，量子霍爾效應(yīng)研究是一個非常重要的研究方向。發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)與分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的科學(xué)家分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學(xué)獎。
“量子反?；魻栃?yīng)不同于量子霍爾效應(yīng)，它不依賴于強磁場而由材料本身的自發(fā)磁化產(chǎn)生?！表椖拷M成員、中科院物理所副研究員何珂告訴《中國科學(xué)報》記者，“量子反常霍爾效應(yīng)是多年來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域研究者努力追求的目標(biāo)，在實驗上，這也是一個非常困難的重大挑戰(zhàn)?！?/p>
何珂表示，該效應(yīng)實現(xiàn)非常困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計、制備與調(diào)控。美國物理學(xué)家霍爾丹于1988年提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng)，盡管多年來各國科學(xué)家提出幾種不同的實現(xiàn)途徑，但所需的材料和結(jié)構(gòu)非常難以制備，因此在實驗上進展緩慢。2008年，美國斯坦福大學(xué)教授張首晟等提出，在拓?fù)浣^緣體的薄膜中引入磁性，將有可能實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。2009年清華大學(xué)薛其坤研究組和中科院物理所馬旭村研究組利用分子束外延方法，獲得了高質(zhì)量的Bi2Te3族拓?fù)浣^緣體薄膜。隨后，中科院物理所方忠、戴希和斯坦福大學(xué)張首晟等，根據(jù)理論和材料計算結(jié)果，提出在這種拓?fù)浣^緣體薄膜中摻入磁性元素，就會實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。
這種理論與材料設(shè)計的突破引起了國際上的廣泛興趣。最近，中科院物理所和清華大學(xué)等機構(gòu)的科研人員組成團隊合作攻關(guān)，克服薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關(guān)，一步一步實現(xiàn)了對拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu)、長程鐵磁序以及能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，利用分子束外延方法，生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜（Bi，Sb）2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反?；魻栃?yīng)。
《科學(xué)》雜志審稿人對此研究給出高度評價，稱其為“凝聚態(tài)物理界一項里程碑式的工作”。
“不同的團隊、不同特長的人在一起工作、共同交流，最終促成了這項成果的達成。”何珂告訴記者。
何珂表示，人們未來有可能利用量子反常霍爾效應(yīng)無耗散的邊緣態(tài)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件，從而解決電腦發(fā)熱問題和摩爾定律的瓶頸問題。然而，研究人員同時表示，這只是一個愿景，目前的研究距離真正的應(yīng)用還很遙遠。
項目組成員、清華大學(xué)教授王亞愚告訴記者，要滿足量子化的反?；魻栃?yīng)，需要材料滿足特別苛刻的要求?！暗侥壳盀橹?，我們對最終實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的眾多因素還不是理解得很透徹，需要進一步深入研究?！蓖鮼営薇硎?，“現(xiàn)在談應(yīng)用還為時尚早?！?/p>
溫度也是實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的眾多苛刻條件中的一個?！澳壳?，這個效應(yīng)需要在一個抑制了熱擾動的純凈實驗環(huán)境中才能觀察到。”項目組成員、中科院物理所研究員呂力告訴記者，該實驗成功時溫度接近絕對零度。
“下一步我們主要的努力方向是全面測量材料在極低溫下的電子結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)，尋找更好的材料體系，在更高的溫度下實現(xiàn)這一效應(yīng)。那時，也許我們能對其應(yīng)用前景作更好的判斷?！蓖鮼営薇硎尽＃ㄒ娏?xí)記者孫愛民記者丁佳）
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