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反常量子霍尔效应对微电子产业的影响姓名：XXX学号：班级：学院：摘要：中国科学家在实验上实现了零磁场中的量子霍尔效应，就有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决发热问题和摩尔定律的瓶颈问题。这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用：无需高强磁场，就可以制备低能耗的高速电子器件，例如极低能耗的芯片，进而可能促成高容错的全拓扑量子计算机的诞生——这意味着个人微电子产业的新的革命。?关键词：反常量子霍尔效应微电子发展1、反常量子霍尔效应1.1霍尔效应霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall 1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应在1879年被物理学家霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的的关系。这种效应和传统的电磁感应完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力，从而在导体的两端产生电势差。虽然这个效应多年前就已经被人们知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感。1.2反常霍尔效应磁场并不是霍尔效应的必要条件。在发现霍尔效应以后人们发现了电流和磁矩之间的自旋轨道耦合相互作用也可以导致的霍尔效应。只要破坏时间反演对称性这种霍尔效应就可以存在，称为反常霍尔效应。1880年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转。反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的，因此是一类新的重要物理效应。1.3反常量子霍尔效应量子反常霍尔效应的最美妙之处就在于不需要任何外加磁场，人类有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题，因此，这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命的进程。1.3.1反常量子霍尔效应的提出被视作“有可能是量子霍尔效应家族最后一个重要成员”的量子反常霍尔效应，被中国科学家首次在实验上独立观测到。2013年3月16日凌晨，由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中科院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队，历时4年完成的研究报告在《科学》杂志在线发表。这项被3名匿名评审人给予高度评价的成果，是在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后，首次实现的反常霍尔效应的量子化，也因此被视作“世界基础研究领域的一项重要科学发现”。作为微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的完美体现，量子霍尔效应一直在凝聚态物理研究中占据着极其重要的地位。而国科学家发现的量子反常霍尔效应因为不需要外加磁场，成为多年来该领域一个非常困难的重大挑战。首先，它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质，是一种全新的量子效应；其次，它的实现也更加困难，需要精准的材料设计、制备与调控。因此，这项全新突破也被视作“有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员”。自2009年起，清华大学薛其坤院士带领团队向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。截止到2013年的四年来，团队生长和测量了1000多个样品，利用分子束外延的方法生长了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜，将其制备成输运器件并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~25800欧姆世界难题得以攻克。1.3.2反常量子霍尔效应的原理量子霍尔效应是霍尔效应的量子对应。在正常霍尔效应的基础上，如果外加磁场足够强、温度足够低，材料体内的所有电子都被局域化到了分立的朗道能级上，形成一个完全绝缘的状态。然而这时，材料的边界仍然可以导电，形成一些没有“背散射”的导电通道(也就是不受杂质散射影响的理想导体)，从而导致量子霍尔效应的出现。量子霍尔效应是一种全新的量子物态---拓扑有序态。凝聚态物质中的各种有序态的出现一般都伴随着某种对称性的破缺，同时伴随有局域序参数及其长程关联的出现。而在量子霍尔效应中不存在局域的序参量，对该物态的描述需要引入拓扑不变量的概念，所以称之为拓扑绝缘体。对于量子霍尔效应而言，该拓扑不变量就是整数的Chern-number。一个对拓扑绝缘体不太精确的定义是：1.其体块(bulk)是一个