量子反常霍爾效應：量子“高速公路”上的中國戰車

高風

中國科學家團隊通過實驗，首次發現了一個神奇而重要的物理現象——量子反常霍爾效應。2013年3月15日，這一學術成果在美國《科學》雜志上一經發表，立即引起不小震動；諾貝爾獎獲得者、物理學家楊振寧譽之為“諾貝爾獎級”的科研成果。這項科研成果，將使信息技術進入一個全新的時代。

在認識量子反常霍爾效應之前，讓我們先來了解一下量子霍爾效應。

量子霍爾效應，于1980年被德國科學家發現，是整個凝聚態物理領域中重要、最基本的量子效應之一。它的應用前景非常廣泛，比如，我們使用計算機的時候，會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態下芯片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發生能量損耗。實際上，量子霍爾效應就是粒子在低溫條件下所發生的一種奇特現象。普通狀態的電子是雜亂無章的，它們無序運動，不斷發生碰撞。而處于量子霍爾態的電子則好像置身在一條“高速公路”上，中間有隔離帶，將兩個方向的“車流”隔開。

也就是說，量子霍爾效應能解決電子碰撞發熱的問題，因而在未來的量子計算、量子信息存儲方面具有巨大的應用潛力，據此設計新一代大規模集成電路和元器件，將會具有極低的能耗。

量子霍爾效應可以對電子的運動制定一個規則，讓它們在各自的跑道上“一往無前”地前進。這就好比一輛高級跑車，常態下是在擁擠的市區街道前進，而在量子霍爾效應下，則可以在“各行其道、互不干擾”的高速路上前進。

然而，量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場，相當于外加10個計算機大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價格昂貴，不適合個人電腦和便攜式計算機。而量子反常霍爾效應的美妙之處就是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。

在當今信息社會，半導體技術飛速發展，但電腦運行中熱量如何散發成為困擾半導體和信息產業發展的一個瓶頸問題。而量子反常霍爾效應的發現將有望解決這一難題。科學家可使電子在不需要強磁場的情況下，按照固定軌跡運動，減少電子無規則碰撞導致的發熱和能量損耗。也許不久的將來，量子反常霍爾效應能夠得到廣泛應用，通過密度集成，計算機的體積也將大大縮小，千億次的超級計算機有望做成現在的IPAD那么大，未來電腦也可能不再需要散熱器。

量子霍爾效應在凝聚態物理的研究中占據著極其重要的地位。它就像一個富礦，一代又一代科學家為之著迷和獻身，他們的成就也多次獲得諾貝爾物理獎。

衷心希望量子反常霍爾效應的發現，在加速推進信息技術革命進程的同時，也給我們偉大的祖國帶來榮譽。