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  • 什么是量子霍爾效應?

    作者:佚名 來源:光行天下整理 時間:2018-12-19 09:21 閱讀:3054 [投稿]
    量子霍爾效應(quantum Hall effect)是量子力學版本的霍爾效應,需要在低溫強磁場的極端條件下才可以被觀察到,此時霍爾電阻與磁場不再呈現線性關系,而出現量子化平臺。

    量子霍爾效應,是霍爾效應的量子力學版本。一般被看作是整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的統稱。

    整數量子霍爾效應被馬普所的德國物理學家馮·克利青發現。他因此獲得1985年諾貝爾物理學獎。分數量子霍爾效應被崔琦、霍斯特·施特默和亞瑟·戈薩德發現,前兩者因此與羅伯特·勞夫林分享1998年諾貝爾物理學獎。

    整數量子霍爾效應最初在高磁場下的二維電子氣體中被觀測到;分數量子霍爾效應通常在遷移率更高的二維電子氣下才能被觀測到。2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,在室溫下觀察到量子霍爾效應。

    整數量子霍爾效應:量子化電導e2/h被觀測到,為彈道輸運(ballistic transport)這一重要概念提供了實驗支持。


    分數量子霍爾效應:勞夫林與J·K·珍解釋了它的起源。兩人的工作揭示了渦旋(vortex)和準粒子(quasi-particle)在凝聚態物理學中的重要性。

    整數量子霍爾效應的機制已經基本清楚,而仍有一些科學家,如馮·克利青和紐約州立大學石溪分校的V·J·Goldman,還在做一些分數量子效應的研究。一些理論學家指出分數量子霍爾效應中的某些平臺可以構成非阿貝爾態(Non-Abelian States),這可以成為搭建拓撲量子計算機的基礎。

    石墨烯中的量子霍爾效應與一般的量子霍爾行為大不相同,為量子反常霍爾效應(Quantum Anomalous Hall Effect)。

    此外,Hirsh、張首晟等提出自旋量子霍爾效應的概念,與之相關的實驗正在吸引越來越多的關注。

    2010年,中科院物理所的方忠、戴希理論團隊與拓撲絕緣體理論的開創者之一、斯坦福大學的張首晟等合作,提出了實現量子反常霍爾效應的最佳體系。 2013年,中國科學院薛其坤院士領銜的合作團隊又發現,在一定的外加柵極電壓范圍內,此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應的特征值h/e2~ 25800歐姆。2013年3月15日,這個成果在線發表在《科學》雜志上。

    這一發現可被用于發展新一代低能耗晶體管和電子學器件,進而推動信息技術的進步。

    2018年12月18日,我國科學家首次在三維空間發現量子霍爾效應,復旦大學物理學系修發賢課題組的發現為未來三維空間量子化傳輸提供了新的思路和實驗基礎,在拓撲量子計算及低功耗電子器件方面有潛在應用價值。

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