齊魯網·閃電新聞6月25日訊 2023年度國家最高科學技術獎6月24日在京揭曉，從沂蒙山區(qū)走出來的中國科學院院士、清華大學教授薛其坤獲得中國科技界崇高榮譽。薛其坤是凝聚態(tài)物理領域著名科學家，取得多項引領性的重要科學突破，他率領團隊首次實驗觀測到量子反常霍爾效應，在國際上產生重大學術影響。

那么，量子反常霍爾效應是什么？有什么意義？閃電新聞為您科普。

2023年度國家最高科學技術獎獲得者、中國科學院院士薛其坤

量子反常霍爾效應是什么？

量子科技是新一輪科技革命和產業(yè)變革的前沿領域。

1879年，埃德溫?霍爾發(fā)現(xiàn)了霍爾效應。

1980年，馮?克利青發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應，即在強磁場的作用下，電流只在二維電子系統(tǒng)的邊緣流動，并且沒有電阻。

科學家們進一步探索，希望發(fā)現(xiàn)一種不依賴于強磁場也能產生量子霍爾效應的材料。這個材料可以給看不見摸不著的電子建立一個“高速公路”，沒有電阻，從而有可能解決電子器件發(fā)熱的根本問題。這個不依賴強磁場也能產生量子霍爾效應的現(xiàn)象就是量子反常霍爾效應。

量子反常霍爾效應，被認為是量子霍爾效應家族最后一個重要成員，是探索更多量子奧秘的重要窗口，同時推動新一代低能耗電子學器件領域的發(fā)展。

量子反常霍爾效應就是在磁性材料中不通過外加磁場，而自發(fā)產生的電流及磁化反應。這一效應在1988年被理論預言后，一直沒有實質進展。

薛其坤帶領團隊經過近4年研究，生長測量了1000多個樣品，最終，2012年，薛其坤和團隊終于成功地在實驗上觀測到了量子反常霍爾效應，這成為“世界首次”！

該成果于2013年3月在美國《科學》（Science）期刊發(fā)表，審稿人予以高度評價，稱之為“凝聚態(tài)物理界一項里程碑式的工作”。

量子反常霍爾效應的示意圖，拓撲非平庸的能帶結構產生具有手征性的邊緣態(tài)，從而導致量子反常霍爾效應

三項非常苛刻的條件

量子反常霍爾效應在凝聚態(tài)物理中占據著重要的地位。

要實現(xiàn)這一不可思議的量子現(xiàn)象，所需要的實驗材料必須同時滿足三項非常苛刻的條件：

1.材料的能帶結構必須具有拓撲特性，從而具有導電的一維邊緣態(tài)；

2.材料必須具有長程鐵磁序，從而存在反常霍爾效應；

3.材料的體內必須為絕緣態(tài)，從而對導電沒有任何貢獻。

這就如同要求一個人同時具有短跑運動員的速度、籃球運動員的高度和體操運動員的靈巧，其難度可想而知。

薛其坤院士接受采訪時表示：量子反常霍爾效應，就是在拓撲絕緣體這個材料中，存在著一個關于電子運動的全新的規(guī)律。對我們科學家來講也是一個非常奇妙神奇的物理現(xiàn)象，所以我們非常希望把它的謎解開，看看它是不是存在。

量子反常霍爾效應的實驗發(fā)現(xiàn)的最終測量樣品和數據

它的發(fā)現(xiàn)有什么重要意義？

薛其坤曾在央視節(jié)目《開講啦》中提到：“電子在運動的過程中，它就互相發(fā)生碰撞，碰回來以后，電子會走彎路，這個器件消耗的電就會更多，就會使器件發(fā)熱，比如你打一會兒手機，手機就發(fā)熱了。量子反常霍爾效應，不用磁場就能使電子在我們的電子器件中有序的運動，沒有產生這種碰撞就不會發(fā)熱，就會大大減小電子器件的能量消耗，比如說，現(xiàn)在手機的待機時間是一天，可能用了這個效應，就能待機兩天到三天。”

現(xiàn)在，薛其坤仍奮戰(zhàn)在科研一線，率領團隊為解決高溫超導機理問題、高溫量子反常霍爾效應和拓撲量子物態(tài)的應用、拓撲量子計算的實現(xiàn)等重大科學問題繼續(xù)努力奮斗。

綜合新華網、央視新聞、《開講啦》、清華大學官網、北青網 報道