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為什麽觀測到「量子反常霍爾效應」就拿了兩次國家最高大獎?

2024-06-25科學

2023年度國家最高科學技術獎6月24日在京揭曉,李德仁院士、薛其坤院士獲得中國科技界崇高榮譽。

李德仁是著名的攝影測量與遙感學家,他攻克衛星遙感全球高精度定位及測圖核心技術,為中國高精度高分辨率對地觀測體系建設作出了傑出貢獻。

薛其坤是凝聚態物理領域著名科學家,他帶領團隊 完成的「量子反常霍爾效應的實驗發現」專案,其論文成果被楊振寧贊譽為「這是第一次從中國實驗室裏發表的 諾貝爾獎級 的物理學論文」。

而這一成果,在2018年 國家科技獎勵大會上,獲得了當年度國家自然科學獎項中 唯一一等獎 。現在 薛其坤院士再次獲得國家最高獎,觀測到這一現象到底有什麽作用,才能讓薛院士兩度奪魁?

1.什麽是量子霍爾效應?

量子霍爾效應是由德國科學家在1980年發現的一種量子效應,它是凝聚態物理學領域中最重要、最基本的量子效應之一。

這個效應的主要內容是,導體中雜亂無章運動著的電子,在磁場的作用下,會被迫跑到了一邊。在這種效應下 導體內部因電子無序運動產生的發熱、損耗和速度下降的問題將極大的得到改善。

但是這種效應要讓導體內耗降到可用的程度,需要非常強的磁場才行。一台電腦想用霍爾效應來 節能降熱,需要外加10個電腦這麽大的磁鐵才行,這就使得 霍爾效應的套用成本非常之高且便利性幾乎全無。

2.什麽是量子反常霍爾效應?

量子反常霍爾效應最早在1988年由美國物理學家霍爾丹預言可能存在 不需要外加磁場 的量子霍爾效應。

2006年, 美國史丹福大學張首晟教授領導的理論組成功地預言了二維拓撲絕緣體中的量子自旋霍爾效應。

2009年,薛其坤領導的實驗團隊對量子反常霍爾效應的實驗進行攻關。他們利用分子束外延方法,生長出了高質素的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜。

用這種方法,他們生長出了1000多個樣品,終於在2012年底,團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。

3.這一發現的重大意義

當初論文發表時, 【 科學 】雜誌的匿名評審給出的評價是:「這篇文章結束了對量子反常霍爾效應多年的探尋,這是一項裏程碑式的工作。」 約一年後,該結果被國際上多個實驗室在相同體系中重復,從而確認了該發現。

這一成果 將推動新一代低能耗晶體管和電子學器件的發展,將對資訊科技的進步產生重大影響。

薛其坤院士除了在這一領域具有突出貢獻之外,其主要 方向為掃描隧道顯微學、表面物理、自旋電子學、拓撲絕緣量子態和低維超導電性等,他在 異質結體系中發現界面增強的高溫超導電性,開啟了國際高溫超導領域的全新研究方向。

因此,兩位院士能奪得國家最高榮譽,是眾望所歸,並非如一些噴子嘴裏對中國院士的評價那樣不堪!

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