B、“识相识量”需要也能承受严格实验 2020年1月9日新浪网“志杰海明博客”专栏,转载发表《Science首次发表负面论文: 消失的“天使粒子”》一文,涉及2019年1月8日国家2018年度科技奖揭晓,薛其坤院士带领由中科院物理研究所和清华大学物理系组成的实验团队,因成功在实验上发现量子反常霍尔效应,获得2018年度国家自然科学一等奖──中国人从崔琦、张首晟、薛其坤、修发贤到曹原等科学家,从一维、二维向三维量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、量子超导立体效应等取得的科研成果,用量子卡西米尔效应原理来作的统一解释。所以该文在国内主流媒体报道、转载得也少,而“识相识量”需要,也能承受各类严格实验。 请看该文说:“《科学 》期刊首次发表负面结果的报告,发现在毫米级的量子反常霍尔绝缘体与超导体的异质结中的半整数量子化电导平台的边缘电流,不是由手性马约拉纳费米子导致” ──近日,美国宾夕法尼亚州立大学Cui-Zu Chang助理教授、Moses. H. W. Chan教授和Nitin Samarth教授,以及德国维尔兹堡大学 Laurens W. Molenkamp教授课题组合作,发现在毫米级的量子反常霍尔绝缘体与超导体的异质结中的半整数量子化电导平台的边缘电流不是由手性马约拉纳费米子导致。相关工作于2020年1月3日在《科学》期刊上以Report 的形式在线发表。这一文章期刊编辑及三位特邀审稿人均给出高度评价,一致认为该工作对消除业内过去几年来在手性马约拉纳费米子实验测量方面存在的疑惑和争议具有重要意义。 研究者还通过在量子反常霍尔绝缘体与超导体之间人为添加绝缘层来系统改变其接触电阻大小,也没有观测到2015年理论预测以及2017年实验报道的结果。这些实验结果表明,对“天使粒子”的追寻之路并没有想象中容易,唯有一步一步脚踏实地,对实验结果永远持有着审慎态度,才有可能捕捉到真正的“天使粒子”。 3)直搭梯子,斜搭梯子,螺旋梯子 2013年曹原在中国科技大学参加了计算物理课程计划,其目的是利用有限元方法计算铁磁流体在磁场中表面图案的形成。有一篇关于这项工作的研究论文后来发表在《磁性与磁性材料》(Journalof Magnetism andMagnetic Materials)杂志上。2012~2014年曹原在中国科技大学曾老师的指导下,以本科生身份,通过理论方法研究了超晶格对石墨烯及其等离子体性质的影响,研究结果发表在2014年的《物理评论B》(Physical Review B)杂志上。曹原2013年赴英国牛津大学陈玉林研究小组进行交流,在这为期三个月的交流项目中,他做了一些角分辨光电发射光谱实验的数据分析和编程。2013~2014年在中国科技大学参与了用光还原氧化石墨烯制作超级电容器的项目。采用一个可编程的激光划片器将氧化石墨烯还原成超电容器。 2014年至今曹原在美国麻省理工学院,Jarillo-Herrero研究小组担任研究助理。其研究主要集中在基于石墨烯和过渡金属化合物的二维体系及其相互作用和物理性质。曹原对扭曲双层石墨烯的研究已经于在2016年的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表了一篇论文;在2018年3月5日的《自然》(Nature)杂志上发表了两篇论文,曹原他们在魔角扭曲双层石墨烯方面的研究,引起了整个凝聚态界的广泛兴趣──这两篇以曹原为第一作者的论文,是发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应,直接开辟了凝聚态物理的一块新领域。 其实曹原的当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,会产生神奇的超导效应的发现,其原理可用以下的类似宏观的直搭梯子,斜搭梯子,螺旋梯子等三个唯象图形,来比喻对照简单地说明。 A、从卡西米尔效应到多维量子霍尔效应 什么量子反常霍尔效应?从普通人的切身体验说起,手机或电脑用上一段时间就会发热,用不到一天就得充电,越用越卡……这个问题的本质在于电子运动会消耗能量。这不仅是制造算力要求高的电子器件的限制,也是科学界长期关注的难题。要让电子运动绝对无能耗,就必须将其杂乱无章的运动变成“高速公路”一样的有序运动。 对电子运动制定规则的“量子霍尔效应”,成为解决这个问题的希望。但由于实现“量子霍尔效应”需要庞大的外加磁场,成本高昂,因此无磁场的“量子反常霍尔效应”成为科学家的梦想。研究量子反常霍尔效应是科学发展中自然的选择,也是学术发展的趋势。 这就要基于在拓扑物态领域积累的经验,寻找“量子反常霍尔效应”的征途。在理论上,实现“量子反常霍尔效应”所需材料的条件非常苛刻。所以近几年“火”起来的拓扑绝缘体,提供了思路──2009年有科学家从理论上预言了,碲化铋(Bi2Te3)能够实现“量子反霍尔效应”。随后从理论上提出Cr或Fe磁性离子掺杂的碲化铋等拓扑绝缘体薄膜,是实现量子反常霍尔效应的最佳体系,预言在磁性掺杂的拓扑绝缘体材料中可真正观察到“量子反常霍尔效应”。基于上述预言,对量子反常霍尔效应的实验开始“大浪淘沙”的攻关,主要开展了分子束外延生长及高质量薄膜制备的实验,制造生长测量了超过1000个样品,随后一步一步对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控,利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂碲化铋拓扑绝缘体磁性薄膜,并在极低温输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”。其中完成的对这一实验现象的极低温电输运测量,获得了量子反常霍尔效应的关键实验证据。 上述的该实验室,2006年成立,掌握着国际领先的极低温输运测量技术。其创始人崔琦就曾因发现分数量子霍尔效应,获得了1998年的诺贝尔物理奖──以崔琦院士名字命名的实验室,能够参与到量子反常霍尔效应的实验发现这一工作中来,是拓扑量子物态研究方面中国人的智慧传承──对不同温度下反应结果的观测,这看起来是一个小目标,但每提高或降低一度都可能意味着重大的新发现。如果无论升高或降低温度都无法解决问题,可能就需要重新分析并开展其他实验。对科学保持着的这种持久的热忱与动力,目前已将量子反常霍尔效应的观测温度从30mk提升到1K,实现了30倍的增长。 量子反常霍尔效应可以用于发展新一代低能耗晶体管和电子学器件,克服芯片发热和能量损耗问题,加速信息技术革命进程,但距离产业化应用还有很长的一段路要走──量子反常霍尔效应,它“神奇”又“美妙”,因为它的发现可能带来下一次信息技术革命。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! 那么什么是量子霍尔效应?其原理类似“直搭梯子”──它是电子运动的“交通规则”:在普通导体中,电子的运动轨迹杂乱无章,不断发生碰撞。当在导体两端加上电极之后,电子就会形成横向漂移的稳定电流。而电流在传输中会存在能量损耗的现象。如果在垂直于电流方向加上外磁场,材料里的电子由于磁场的作用力,会在导体一边形成积累电荷,最终会达到平衡形成稳定的霍尔电压。当外场足够强,温度足够低时,导体中间的电子会在原地打转,会在边界上形成不易被外界干扰的半圆形导电通道,即量子霍尔效应。量子霍尔效应可以让电子在各自的跑道上“一往无前”地运动,降低能量损耗。
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