为量子计算机开辟道路引发量子反常霍尔效应的微型磁体

　　日本筑波大学的研究人员制造出了一种可以证明量子反常霍尔效应(QAHE)的新设备，其中微小的离散电压阶跃由外部磁场产生。他们表示，这项工作可能使极低功率的电子设备以及未来的量子计算机成为可能。论文[1]已经发表在《物理化学快报》上。
　　在这项研究中，他们利用极化中子反射研究了拓扑晶体绝缘体(TCI) SnTe和Fe组成的异质结构界面的磁近邻效应(MPE)。铁磁有序从与Fe的界面深入SnTe层约2.2 nm，并持续到室温。这是由TCI表面上的MPE引起的，该MPE保持相干拓扑状态，而不通过掺杂磁性杂质引入无序。这将为实现下一代自旋电子学和量子计算设备开辟一条道路。
　　01
　　将磁序引入拓扑绝缘体(TI)系统
　　如果你拿一根通有电流的普通电线，通过施加外部磁场，你可以产生一个垂直于电流方向的新电压。这种所谓的霍尔效应已被用作简单磁传感器的一部分，但灵敏度可能较低。
　　有一个相应的量子版本，称为量子反常霍尔效应，以定义的增量或量子出现。这提高了利用量子反常霍尔效应来构建新的高导电性电线甚至量子计算机的可能性。
　　现在，由日本筑波大学材料科学研究所领导的一个研究团队使用了上述的一种拓扑绝缘体(TI)材料，其中电流在界面上流动，但不通过主体，以诱导量子反常霍尔效应。
　　通过使用铁磁材料——铁(Fe)作为器件的顶层，磁近邻效应可以产生磁有序，而不会引入由掺杂磁性杂质的替代方法引起的无序。筑波大学Kuroda Shinji教授说[2]：＂量子反常霍尔效应产生的电流可以沿着层的界面传播而不会耗散，这可能会被用于新型节能设备。＂
　　为了制造该器件，使用分子束外延在模板上生长由碲化锡(SnTe)顶部的铁层组成的单晶异质结构的薄膜。研究人员使用中子测量了表面的磁化强度，中子具有磁矩，但没有电荷。他们发现铁磁秩序从与铁的界面渗透到碲化锡层中约两纳米，甚至在室温下也可以存在。
　　磁化强度和穿过SnTe层深度的函数关系
　　Kuroda教授说：＂我们的研究为实现下一代自旋电子学和量子计算设备指明了方向。＂ 这些应用可能需要表现出量子反常霍尔效应的层，这项研究表明这是可能的，并且可以很容易地产生。
　　02
　　量子反常霍尔效应
　　光子盒
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　　量子反常霍尔效应是一个困扰了物理学界130多年的问题。
　　今天的我们已经知道，在普通导体中，电子的运动轨迹杂乱无章，不断发生碰撞，从而产生电阻发热等效果。这时候如果在垂直的方向加上外磁场，材料里的电子由于磁场的作用力会跑到导体的一边形成积累电荷，最终会达到平衡形成稳定的霍尔电压，这就是霍尔效应。
　　这一现象是美国物理学家霍尔（E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的：在室温下，电流垂直于外磁场通过导体时会发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差。
　　值得一提的是，发现霍尔效应时，霍尔只是一名研究生，而且电子尚未被发现（1897年由汤姆逊发现）。
　　在霍尔效应发现百年后，20世纪70年代末，科学家在极低温度和强磁场下，研究半导体的霍尔效应，发现了量子霍尔效应。当外磁场足够强，温度足够低，电子的运动可以变得高度有序，电子会在边界处沿着两个边界高速运动。
　　量子霍尔效应
　　量子霍尔效应于1980年由德国物理学家冯·克利青等人发现，因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。2005年，英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，在常温下观察到量子霍尔效应。他们于2010年获诺奖。
　　1982年，美籍华裔物理学家崔琦和美国物理学家劳克林、施特默在更强磁场下发现了分数量子霍尔效应，这个发现使人们对量子现象的认识更进一步，他们也因此获得了1998年的诺贝尔物理学奖。
　　分数量子霍尔效应对于拓扑量子计算的实现至关重要，目前科学家已经发现填充因子v=5/2的分数量子霍尔态里面的复合费米子（一种准粒子）同时不遵循费米统计和玻色统计，可能是非阿贝尔任意子（用于实现拓扑量子计算）。
　　有霍尔效应，也有反常霍尔效应。1880年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。
　　量子霍尔效应发现后，物理学家进而提出：反常霍尔效应是否能像霍尔效应那样，有对应的量子化版本，这又成为人们新的探索目标。为了实现量子反常霍尔效应，自1988年开始就不断有理论物理学家提出各种方案，然而在实验上没有取得任何重要进展。
　　薛其坤团队从一开始就在一个没有赛道的竞技场上发力。2009年，薛其坤院士了解国际上有理论预言可以在磁性拓扑绝缘体中寻找量子反常霍尔效应，于是他邀请了清华大学物理系王亚愚教授、何珂教授加入研究团队。
　　2006年，美籍华裔物理学家张首晟最先提出拓扑绝缘体概念，其内部是绝缘体，表面是能导电的金属。在此基础上，张首晟成功预言量子自旋霍尔效应（由两组自旋方向相反，运行方向也相反的边缘态组成，并且不需要外加磁场）。
　　2007年，德国伍尔兹堡大学的研究组在Hg Te/CdTe量子阱结构中，成功地观测到这种特殊边缘态的量子效应，从而在实验上证实了张首晟的预言。
　　至此，霍尔效应大家庭还剩下一个成员尚未发现。2010年，我国理论物理学家方忠、戴希与张首晟教授等共同提出，磁性掺杂的三维拓扑绝缘体可能是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。这时，薛其坤团队已经开始在实验上寻找量子反常霍尔效应。
　　量子反常霍尔效应意味着，在零磁场中，霍尔电阻跳变到约25800 Ω的量子电阻值。 要实现这一不可思议的量子现象，需要实验样品必须同时满足4项非常苛刻的条件：
　　必须是二维系统（薄膜），从而具有导电的一维边缘态；需要处在绝缘相，从而对导电没有任何贡献；需要存在铁磁序，从而存在反常霍尔效应；需要非平凡的拓扑性质，从而使电子能带是反转的。
　　这就如同要求一个人，同时具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度、举重运动员的力量和体操运动员的灵巧。
　　历经四年努力，薛其坤带领由中科院物理所和清华大学组成的实验团队，用了5套世界最高水平的精密试验仪器，生长和测量了1000多个样品，终于利用分子束外延的方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，然后将其制备成输运器件，并在极低温环境下成功观测到了量子反常霍尔效应。
　　薛其坤记得很清楚，2012年10月12日晚上10点30分左右，那天他回家早了一点，刚回到家中，就收到了学生发来的短信，＂量子反常霍尔效应的初步迹象已经被发现了，等待详细测量。＂
　　薛其坤团队发现，在一定的外加栅极电压范围内，Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值，世界难题得以攻克。
　　薛其坤抑制不住内心的激动。在科学发现上，没有第二，只有第一，他坦言，＂当发现一个科研成果时，你会很兴奋的，毕竟做了这么多年的努力，这是专利！如果第二个做出来就会大打折扣。＂
　　美国《科学》杂志于2013年3月14日在线发表这一研究成果，引起学界巨大反响，杨振宁称赞其是诺贝尔奖级的成绩。但薛其坤院士强调说：＂这是我们团队精诚合作、联合攻关的共同成果，是中国科学家的集体荣誉。＂
　　量子反常霍尔效应研究团队
　　从理论上讲，薛其坤团队发现量子反常霍尔效应攻克了130多年的世界难题，《科学》杂志审稿人评价＂这是凝聚态物理界一项里程碑式的工作＂。
　　而从现实应用上讲，人类发明的所有电子器件都无法避免能量损耗，这是由电子的无序运动造成的。量子霍尔效应可以解决这个问题，但它的产生需要施加强磁场，相当于外加10个计算机大的磁铁，因此，造价昂贵、体积庞大等因素限制了其走向实际应用。
　　而量子反常霍尔效应的美妙之处是电子在不施加强磁场的情况下，按照固定轨迹运动，减少无规则碰撞导致的发热和能量损耗，能够用于发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件。
　　采用这种技术设计集成电路和元器件，千亿次的超级计算机有望做成平板电脑那么大，智能手机的内存可能会提高上千倍。
　　正因为量子反常霍尔效应的发现意义非凡，薛其坤获得了2018年度国家自然科学奖项中的唯一的一等奖。迄今为止，获得国家自然科学一等奖的科学家不足40人。2020年，他荣获国际公认的低温物理领域最高奖项——菲列兹·伦敦奖。
　　参考链接：
　　[1]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.2c01478#
　　[2]https://phys.org/news/2022-09-mini-magnets-quantum-anomalous-hall-effect.html