量子反?；魻栃?yīng)：量子“高速公路”上的中國戰(zhàn)車

高風(fēng)

中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)，首次發(fā)現(xiàn)了一個(gè)神奇而重要的物理現(xiàn)象——量子反?；魻栃?yīng)。2013年3月15日，這一學(xué)術(shù)成果在美國《科學(xué)》雜志上一經(jīng)發(fā)表，立即引起不小震動；諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、物理學(xué)家楊振寧譽(yù)之為“諾貝爾獎(jiǎng)級”的科研成果。這項(xiàng)科研成果，將使信息技術(shù)進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。

在認(rèn)識量子反常霍爾效應(yīng)之前，讓我們先來了解一下量子霍爾效應(yīng)。

量子霍爾效應(yīng)，于1980年被德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，是整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中重要、最基本的量子效應(yīng)之一。它的應(yīng)用前景非常廣泛，比如，我們使用計(jì)算機(jī)的時(shí)候，會遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。實(shí)際上，量子霍爾效應(yīng)就是粒子在低溫條件下所發(fā)生的一種奇特現(xiàn)象。普通狀態(tài)的電子是雜亂無章的，它們無序運(yùn)動，不斷發(fā)生碰撞。而處于量子霍爾態(tài)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(gè)方向的“車流”隔開。

也就是說，量子霍爾效應(yīng)能解決電子碰撞發(fā)熱的問題，因而在未來的量子計(jì)算、量子信息存儲方面具有巨大的應(yīng)用潛力，據(jù)此設(shè)計(jì)新一代大規(guī)模集成電路和元器件，將會具有極低的能耗。

量子霍爾效應(yīng)可以對電子的運(yùn)動制定一個(gè)規(guī)則，讓它們在各自的跑道上“一往無前”地前進(jìn)。這就好比一輛高級跑車，常態(tài)下是在擁擠的市區(qū)街道前進(jìn)，而在量子霍爾效應(yīng)下，則可以在“各行其道、互不干擾”的高速路上前進(jìn)。

然而，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的磁場，相當(dāng)于外加10個(gè)計(jì)算機(jī)大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價(jià)格昂貴，不適合個(gè)人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)。而量子反?；魻栃?yīng)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(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小?/p>

在當(dāng)今信息社會，半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展，但電腦運(yùn)行中熱量如何散發(fā)成為困擾半導(dǎo)體和信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)瓶頸問題。而量子反?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)將有望解決這一難題?？茖W(xué)家可使電子在不需要強(qiáng)磁場的情況下，按照固定軌跡運(yùn)動，減少電子無規(guī)則碰撞導(dǎo)致的發(fā)熱和能量損耗。也許不久的將來，量子反?；魻栃?yīng)能夠得到廣泛應(yīng)用，通過密度集成，計(jì)算機(jī)的體積也將大大縮小，千億次的超級計(jì)算機(jī)有望做成現(xiàn)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(yīng)在凝聚態(tài)物理的研究中占據(jù)著極其重要的地位。它就像一個(gè)富礦，一代又一代科學(xué)家為之著迷和獻(xiàn)身，他們的成就也多次獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。

衷心希望量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，在加速推進(jìn)信息技術(shù)革命進(jìn)程的同時(shí)，也給我們偉大的祖國帶來榮譽(yù)。