量子反常霍尔效应是什么意思,它有什么作用?

【我国科学家拥“诺奖级发现”】清华大学教授、中国科学院院士薛其坤带领的实验团队,首次在实验中发现量子反常霍尔效应,意味着可减少半导体发热和能量损耗。超级计算机也有望做成现在的IPAD那么大,未来电脑也可能不再需要散热器。这项科研成果被称赞为是“诺贝尔奖级”的成绩。http://t.cn/zT5zUUn

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10个答案
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一楼已经解释了量子霍尔效应,简单总结一下:二维电子(实际上是电子近似地被约束在一个平面上运动)在强磁场下,霍尔电阻(垂直于电压降落方向的电流除以电压)是量子化的。假如画一个图,横轴是磁场,纵轴是霍尔电阻,就会看到一个一个平台。但是平台只出现在和原点距离很远(也即磁场非常大)的地方,靠近原点那些平台就越来越难以分辨,最后变成一条直线,也就是经典的霍尔效应。这里的”强磁场“是数个特斯拉的级别,假如对这个数字没有概念,地球磁场是百万分之一特斯拉,普通的磁铁一般是零点几个特斯拉。几个特斯拉的磁场只有在实验室里才能达到。

在量子霍尔效应(准确的说是整数量子霍尔效应,缩写为IQHE)的实验发现之后,普林斯顿大学的物理学家Duncane Haldane提出一个问题:IQHE一定需要这么夸张的外磁场吗?。Haldane的想法是,磁场仍然是要加的,否则可以在数学上证明一定不会有任何霍尔电导,但是可以变着花样加,不用非要整个平面处处有很大的磁场,磁场的大小甚至方向都可以变化。他设想了一种周期性的磁场,在某些区域是正的,另一些区域是负的,于是平均看来没有净的磁场,但理论计算表明霍尔电阻仍然可以是量子化的。这大概就是”量子反常霍尔效应“名字的由来,虽然从理论上看和”正常“的那个没有什么本质区别。

Haldane提出的模型是所谓的”石墨烯“(graphene)电子,磁场变化的周期和晶格常数十分接近,这实际上意味着假如要实现Haldane的想法,需要的磁场强度甚至比IQHE还要大的多。但是Haldane的工作启发了物理学家们去寻找其它的模型和固体材料,希望能实现”量子反常霍尔效应“。经过了20多年,这一想法终于在实验上实现了⋯⋯

为什么量子(反常)霍尔效应可能应用在未来的电子器件上?这要从量子霍尔效应的另外一个特征——边缘态说起。霍尔电阻是垂直于电压降落方向的电阻,那么平行于电压降落方向的情况是如何?实验上发现,只要霍尔电阻出现平台的地方,通常意义上的电阻(也即沿着电压降落方向的电阻)是无穷大,没有任何电流。这说明处在量子霍尔效应区域的电子是绝缘体。但是另一方向,我们知道在垂直电压降落方向的确是有电流的。这两个效应该如何调和?这个问题的解答首先由哈佛大学物理学家Bertrand Halperin给出:奥妙在于样品的边缘。虽然样品的内部的确是绝缘的(用术语来说是有能隙的),但是样品的边缘则完全不一样。一个通俗的说法是想象电子在磁场中的运动。高中物理中学过,电子在磁场中的轨迹是一个圆(因为洛伦兹力总是垂直于电子的运动方向,于是就把电子的轨道拽成了一个圈)。磁场很强的情况下,电子的轨道半径很小,因此电子没办法到处乱跑,一个萝卜一个坑,把所有这些轨道填满了就没地方可以去了。但是当靠近样品边缘的时候,电子没有办法跑出一整个轨道了,于是只能沿着样品的边缘跳,画出一个接一个的半圆弧。也就是说,电流是可以沿着边缘传导的!而且因为电子只能沿着一个方向转圈(逆时针或者顺时针),边缘上电流是“单行道”,只能沿一个方向传输,学名叫“手征边缘态”。


图片来自http://jqi.umd.edu/glossary/quantum-hall-effect-and-topological-insulators。图上边缘态电子运动方向的标记其实不太对⋯⋯

这种边缘上的“单行道”是量子霍尔效应可能电子学应用的根源:通常导体的电阻是因为电子的运动过程中撞上了一些杂质,撞得七晕八素,甚至直接反弹回去了。在手征边缘态上,这样的“反弹”只能从一边“弹”到对面去,中间要跨过整个样品,这对微观电子来说实在太远了。所以电流在边缘态上的传输是完全没有任何损耗的(没有电阻也就不会发热)。

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章鱼喵.时见疏星理论物理专业,西夏文爱好者

2013-04-11 15:30

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霍尔效应

电流是什么?电流是一些带电粒子的定向的运动。

如果我们有一个截面是长方体的导线,里面有电流,然后在这个这个长方体的侧面加一个磁场,会发生什么?

这张图中上部的长方形就是我们的那块儿导体,导体中的电流是从做向右的,那么电子就是从右向左运动的(电子带负电)。我们在这个平面内加一个指向平面内部的磁场(用一个 X 来表示这个方向)。

我们有一种力,叫做洛伦兹力,就是一个带电的物体在磁场中运动,可能会受到磁场的力。上图中,磁场给电子的力是向上的,这样电子就会向上运动,从而到达长方体的上表面,这样的话,最终会有很多电子在上表面聚集。当电子聚集在上表面之后,会在这个平面内形成一个从下指向上的电场,这样其它的电子会受到一个从上指向下的电场力,跟磁场的力相反。
这样最终会达到一个平衡,即电场力和磁场力相等了,电子在竖直方向就不受力了,就可以穿过导体,继续形成电流。这个过程非常快。

那么如果我们有个电压表测量这个导体的上下表面的电势差,就可以得到一个读数,通过这个读数,我们可以推知一些关于量的关系,比如我们可以用来测量磁场大小等等。

霍尔效应用图表画出来,就是:

字丑,手抖……
就是说我们用电压表测量的电压值(绝对值)和所加的磁场值是正比的。

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反常霍尔效应

(反常这个翻译不太好。)
上面那个效应中,如果我们要比较明显的现象,我们需要自己加一个很大的磁场,这是一个很麻烦的事情。
后来人们发现了一种比这个效应强的多的效应(但不是像上面一样线性的了),虽然也是霍尔效应,但是与上面的那个不同(严格的说应该是现在的效应中除了上面那种,还有一种新的效应),很奇怪(形成的原因大概有三种,现在依然有争论)。不过说起来比较麻烦。
总之,就是说这个效应比较奇特,要更强,却非线性。

看到上面那个图了么?图的横轴是我们加的磁场,纵轴是用来表现霍尔效应的强度的,有些线是直线,那么正常的,有些线是先上升很快,然后变得很慢,强度也大的多,那个就是反常的。

那个图有点复杂,画个示意图:

好吧。


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量子霍尔效应

量子嘛,就是说一份一份的。体现在我们的霍尔效应里面,就是说,我们得到的曲线应该是这样的:


就是说,在一个特定的体系中,电流值只能取一些特点的值,这些值跟电压的比值是某个数的整数倍。这是为什么说是量子的霍尔效应。

上面那个图看不明白,可以看这个:

就是说电流和霍尔电压的比值是一份一份的,总是某个数的整数倍,而上面的几个效应中,电流和霍尔电压的比值却是直线的,连续的。

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量子反常霍尔效应

(这个我了解的不多。但是为了让答案显得明显,也多少写点吧。)


量子的霍尔效应和反常的霍尔效应我们都知道了。那么什么是量子的反常的霍尔效应呢?类似上面的反常的霍尔效应,我们这里可以在不加磁场的情况下看到量子的霍尔效应。这显然是很奇怪的。至于是什么原理,我不懂。


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回答的很潦草。其中第三副图片来自RMP的一篇文章:Anomalous Hall effect,作者是大牛 Nagaosa。
第五张图片来自wikipedia:http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Hall_effect
第一副图片来自:http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/physics/current/postgraduate/regs/mpags/ex5/techniques/electronic/hall-effect/
其它的是我自己画的丑图……

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支持者: GalaxySong

薛其坤:咱們用一個形象的比喻,計算機芯片里電子的運動幾乎可以看成是一個無規律的,從晶體管的電極一端到達另一端的時候,就像從農貿市場的一端到達另一端的時候,電子比喻成人的話,運動過程中老碰到很多無序的話它老是要走彎路,走彎路就會造成發熱,效率就不高,這是目前晶體管發熱的一個重要原因之一。量子霍爾的電子被這個效應定義了一個規則,不像農貿市場的運動非常雜亂了,就像高速公路的汽車一樣,按照規則進行。
薛其坤院士解釋說,目前,普通量子霍爾效應的產生無法被廣泛應用,因為它需要非常強的磁場,成本非常昂貴,比較困難。
薛其坤:要實現這種量子霍爾效應所占的磁場,是地球地磁場的十萬倍甚至上百萬倍,要產生這樣的磁場需要一個非常大的設備,一般來講的話是和冰箱那麼大,一個計算機的芯片很小,顯然這種量子霍爾效應很難得到應用。
但量子反常霍爾效應的好處在於不需要任何外加磁場,因此這項研究成果將推動新一代低能耗晶體管和電子學器件的發展,可能加速推進信息技術革命進程。

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支持者: Felwithe

如果能用在大电流上,可以替代超导吗?

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两个问题互链一下,这里也有一些解释可供参考:
中国科学家首次发现量子反常霍尔效应,利用量子反常霍尔效应是有可能解决电子器件发热问题吗? 什么原理呢?
http://www.guokr.com/question/451630/

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当年我做霍尔效应实验不小心把那仪器烧了(短路)。。。还写了检讨。。。

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怎么办,好象看了下面的解释更混乱了……

以下观后结论是否正确:
1、导体块在东西方向通有电流时,如果处在一个符合要求的强大磁场中时,这时候其南北方向导电电阻为0?
2、量子这个词的含意就是“一份一份的”是吧?(经常看到这个词,就是不理解什么意思。)

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不明白,电子所以不能被杯子隔离就是因为电子传递并不是一个电子的单独运动,而是电子碰撞电子的运动,没有电阻就表示这个导体里只有一个电子在运动?

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斗破苍穹01www.91mh.cc/comic/12835/

2014-02-16 16:24

当年我做霍尔效应实验不小心把那仪器烧了(短路)。。。还写了检讨。。。

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