量子反常霍尔效应:量子“高速公路”上的中国战车

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中国科学家团队通过实验，首次发现了一个神奇而重要的物理现象——量子反常霍尔效应。2013年3月15日，这一学术成果在美国《科学》杂志上一经发表，立即引起不小震动；诺贝尔奖获得者、物理学家杨振宁誉之为“诺贝尔奖级”的科研成果。这项科研成果，将使信息技术进入一个全新的时代。

在认识量子反常霍尔效应之前，让我们先来了解一下量子霍尔效应。

量子霍尔效应，于1980年被德国科学家发现，是整个凝聚态物理领域中重要、最基本的量子效应之一。它的应用前景非常广泛，比如，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。实际上，量子霍尔效应就是粒子在低温条件下所发生的一种奇特现象。普通状态的电子是杂乱无章的，它们无序运动，不断发生碰撞。而处于量子霍尔态的电子则好像置身在一条“高速公路”上，中间有隔离带，将两个方向的“车流”隔开。

也就是说，量子霍尔效应能解决电子碰撞发热的问题，因而在未来的量子计算、量子信息存储方面具有巨大的应用潜力，据此设计新一代大规模集成电路和元器件，将会具有极低的能耗。

量子霍尔效应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。这就好比一辆高级跑车，常态下是在拥挤的市区街道前进，而在量子霍尔效应下，则可以在“各行其道、互不干扰”的高速路上前进。

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就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。

在当今信息社会，半导体技术飞速发展，但电脑运行中热量如何散发成为困扰半导体和信息产业发展的一个瓶颈问题。而量子反常霍尔效应的发现将有望解决这一难题。科学家可使电子在不需要强磁场的情况下，按照固定轨迹运动，减少电子无规则碰撞导致的发热和能量损耗。也许不久的将来，量子反常霍尔效应能够得到广泛应用，通过密度集成，计算机的体积也将大大缩小，千亿次的超级计算机有望做成现在的IPAD那么大，未来电脑也可能不再需要散热器。

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，他们的成就也多次获得诺贝尔物理奖。

衷心希望量子反常霍尔效应的发现，在加速推进信息技术革命进程的同时，也给我们伟大的祖国带来荣誉。