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2017年6月3日 17:56

張首晟:什麼是「量子自旋霍爾效應」?
過去五六十年,摩爾定律在計算機技術的發展中起著重要的作用。但是,這樣的高速發展現在碰到了非常大的瓶頸,因為當運算晶元的集成度越來越高的時候,其產生的熱量也會隨之驟增,甚至可以燒毀整個晶元。因此很多人都認為「摩爾定律」將要死了。

為什麼晶元在繼續集成的情況下會碰到這個阻礙?答案在晶元的底層。我們雖然平時一直在講信息的高速公路,但是在晶元的底層,基本上是雜亂無章的一種運動,電子在晶元的城市,就像一個非常好的跑車,在一個集市裡,會到處相互碰撞,也會跟周圍發生碰撞。

這種碰撞的宏觀表現就是晶元發熱,所以為了避免這樣的情況,我們就需要讓電子「各行其道」。如果拿一個往前,一個往後的兩個電子做比方,我們要做的就是讓這兩個電子在二維的體系裡,可以在空間上拆開來,使得在上面的往前,在下面的往回。

在分完道之後,我們還要做一件事情,就是當電子遇到雜質的時候,它不會出現改變方向往回走,即沒有電子出現「逆行」的現象。

要實現以上的這兩條,就需要藉助一個神奇的效應,叫做【量子霍爾效應】。這個效應曾經兩獲諾貝爾物理獎,當時曾經被認為是半導體工業的全新技術增長點。

然而在實際應用的時候,卻有一個巨大的問題,那就是要產生這樣的效應,需要外加一個【非常強的磁場】,差不多是地球磁場的一萬倍左右的數量級,而所有的半導體設備都幾乎不可能在這麼強的磁場下工作。

我的工作就成功地破解了這一難題,我發現的這種新的效應叫做「量子自旋霍爾效應」。在這種神奇的效應的作用下,特定材料製成的絕緣體的表面會產生特殊的邊緣態,使得該絕緣體的邊緣可以導電,而這種邊緣態電流的方向與電子的自旋方向完全相關,同時【不再需要外加磁場】。

簡單來說,我們通過電子自旋與電子軌道的耦合(兩者的關係類似於地球的自轉和公轉),來取代了外加的強磁場,而產生的材料只有邊緣可以導電,並且通過電子的自旋方向來決定電流的流動方向。

我們不但在 2006 年預言了這麼一個神奇的效應,使得電子能夠按照高速公路原理來運行,並且我們預言了一個材料,在 2007 年通過實驗被發現。

在 2007 年,我發現的「量子自旋霍爾效應」被《Science》雜誌評為當年的「全球十大重要科學突破」之一。

由於這個發現,我得了一些國際上非常高的榮譽,其中有一個是叫富蘭克林獎。富蘭克林是我的科學偶像,也是美國的建國之父。他發現雷電原理的故事對我啟發很大,激發了我投身於科學技術的想法。