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为什么观测到「量子反常霍尔效应」就拿了两次国家最高大奖?

2024-06-25科学

2023年度国家最高科学技术奖6月24日在京揭晓,李德仁院士、薛其坤院士获得中国科技界崇高荣誉。

李德仁是著名的摄影测量与遥感学家,他攻克卫星遥感全球高精度定位及测图核心技术,为我国高精度高分辨率对地观测体系建设作出了杰出贡献。

薛其坤是凝聚态物理领域著名科学家,他带领团队 完成的「量子反常霍尔效应的实验发现」项目,其论文成果被杨振宁赞誉为「这是第一次从中国实验室里发表的 诺贝尔奖级 的物理学论文」。

而这一成果,在2018年 国家科技奖励大会上,获得了当年度国家自然科学奖项中 唯一一等奖 。现在 薛其坤院士再次获得国家最高奖,观测到这一现象到底有什么作用,才能让薛院士两度夺魁?

1.什么是量子霍尔效应?

量子霍尔效应是由德国科学家在1980年发现的一种量子效应,它是凝聚态物理学领域中最重要、最基本的量子效应之一。

这个效应的主要内容是,导体中杂乱无章运动着的电子,在磁场的作用下,会被迫跑到了一边。在这种效应下 导体内部因电子无序运动产生的发热、损耗和速度下降的问题将极大的得到改善。

但是这种效应要让导体内耗降到可用的程度,需要非常强的磁场才行。一台电脑想用霍尔效应来 节能降热,需要外加10个电脑这么大的磁铁才行,这就使得 霍尔效应的应用成本非常之高且便利性几乎全无。

2.什么是量子反常霍尔效应?

量子反常霍尔效应最早在1988年由美国物理学家霍尔丹预言可能存在 不需要外加磁场 的量子霍尔效应。

2006年, 美国斯坦福大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应。

2009年,薛其坤领导的实验团队对量子反常霍尔效应的实验进行攻关。他们利用分子束外延方法,生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜。

用这种方法,他们生长出了1000多个样品,终于在2012年底,团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。

3.这一发现的重大意义

当初论文发表时, 【 科学 】杂志的匿名评审给出的评价是:「这篇文章结束了对量子反常霍尔效应多年的探寻,这是一项里程碑式的工作。」 约一年后,该结果被国际上多个实验室在相同体系中重复,从而确认了该发现。

这一成果 将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展,将对信息技术的进步产生重大影响。

薛其坤院士除了在这一领域具有突出贡献之外,其主要 方向为扫描隧道显微学、表面物理、自旋电子学、拓扑绝缘量子态和低维超导电性等,他在 异质结体系中发现界面增强的高温超导电性,开启了国际高温超导领域的全新研究方向。

因此,两位院士能夺得国家最高荣誉,是众望所归,并非如一些喷子嘴里对中国院士的评价那样不堪!

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