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这就是量子自旋霍尔效应

来源:http://www.hhmtch.com 作者:澳门新葡萄京 时间:2019-12-18 19:57

“当看到那些电子如同相互约定好,迈着整齐的步伐沿着同一个方向舞动时,心里兴奋极了———大自然神奇奥妙的规律,竟是如此的充满美感。”在华人科学家、美国斯坦福大学教授张首晟眼里,量子自旋霍尔效应的美妙舞步如诗如画,令他沉醉不已。更让世人为之期待的是,电子有序的舞蹈方式有可能催生新一代不发热的电脑芯片,因此,这一成果不久前入选了美国《科学》杂志评出的2007年十大科学进展。 美国科学家埃德温•霍尔在19世纪末发现,通电导体在磁场作用下能使电流运动方向改变90°,这被称作霍尔效应。1980年,科学家又发现在极低温和强磁场条件下,霍尔效应呈现电子按顺时针沿导体边缘运动的现象,这就是量子霍尔效应。与无序运动导致热量产生相比,电子保持秩序状态则几乎没有能量损耗,由此引发了科学界研制新的电脑元器件的设想。 但是,量子霍尔效应需要苛刻的条件。“能不能在正常条件下,让电子跳舞从杂乱无章的‘迪斯科’到井然有序的‘集体舞’?”张首晟日前在北京接受本报记者采访时说,几年前他研究发现,电子如同地球自转一样,有一种叫做自旋的基本特性,自旋向上的沿逆时针运动,自旋向下的沿顺时针运动。这种自旋也会产生量子霍尔效应,这就是量子自旋霍尔效应。它不仅没有能量损耗,并且不需要强磁场,也可在室温环境下实现。 2006年,他首先提出了量子自旋霍尔效应的理论预言,发表在《科学》杂志上;2007年,在研究合作伙伴德国维尔茨堡大学的实验室确认了量子自旋霍尔效应,并且在碲化汞半导体材料上实验成功。先有理论预言后由实验证实,这在凝聚态物理界是少见的。 “我们希望在通常的半导体硅材料上实现这一效应,未来5—10年可能直接应用在芯片产业。”张首晟说,量子自旋霍尔效应可能催生低功耗的电子元器件,摩尔定律的生命将得以延长。业界普遍认为,由于受制于计算机芯片散热问题,摩尔定律在10年内将走到尽头。如果能在半导体系统材料不变的情况下实现量子自旋霍尔效应,不啻为信息技术的福音。 他说,自旋电子学是一个新兴领域,中国如果能抓住机会,可以抢占未来电脑技术的制高点。他的科研团队正积极与中科院、复旦大学等单位开展相关合作。 张首晟正如一个指挥家,调控着电子的舞动之步,并陶醉其间。“科学是真与美的结合,科学的最高层次是审美。”张首晟说,牛顿、爱因斯坦之所以登上科学的“宝塔尖”,是审美观起了主导作用。纵观广袤宇宙,爱因斯坦却用E=MC2这样一个简洁的公式来表述真理,不禁拍案叫绝。“科学的美感即是简洁美丽,包罗万象。” 张首晟1963年出生于上海,15岁考入复旦大学,20岁师从杨振宁先生攻读博士学位,30岁成为斯坦福大学终身教授。他目前还担任IBM公司和斯坦福大学联合设立的自旋电子学研究中心的主任。

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