電子的“高速公路”的“意外”,卻能讓電腦更快、手機(jī)更省電!
霍爾效應(yīng)?聽起來很牛,其實(shí)很簡單!
想象一下,你正在玩滑板。當(dāng)你用力往前滑的時(shí)候,如果突然刮來一陣側(cè)風(fēng),你會(huì)被吹得有點(diǎn)歪。這就是一種力在影響你的運(yùn)動(dòng)方向。
在電子世界里,也有一種類似的情況,那就是霍爾效應(yīng)。
霍爾效應(yīng)是什么?
霍爾效應(yīng),簡單來說,就是當(dāng)一群電子在一條導(dǎo)線里排隊(duì)走路的時(shí)候,如果突然出現(xiàn)一個(gè)磁場,這些電子就會(huì)被磁場的力量推向一邊,就像被側(cè)風(fēng)吹歪的滑板一樣。
打個(gè)比方,想象導(dǎo)線就像一條高速公路,電子就是一輛輛小汽車。當(dāng)這些小汽車在高速公路上飛馳的時(shí)候,如果突然出現(xiàn)一個(gè)磁場,就好像高速公路突然變成了一條斜坡,小汽車就會(huì)被“斜坡”的力量推向一邊。
量子霍爾效應(yīng)是霍爾效應(yīng)在量子力學(xué)領(lǐng)域的延伸。當(dāng)電子在低溫和強(qiáng)磁場下通過二維電子系統(tǒng)時(shí),霍爾電阻會(huì)呈現(xiàn)出階梯狀的量子化現(xiàn)象。當(dāng)霍爾電阻達(dá)到某個(gè)量子值時(shí),導(dǎo)體的電阻會(huì)消失,電流只在導(dǎo)體的邊緣流動(dòng)。
量子反常霍爾效應(yīng)是量子霍爾效應(yīng)的一個(gè)特殊形式。不同于量子霍爾效應(yīng)需要強(qiáng)磁場,量子反常霍爾效應(yīng)在沒有外加磁場的情況下也能產(chǎn)生。這種現(xiàn)象是在拓?fù)浣^緣體材料中發(fā)現(xiàn)的。
拓?fù)浣^緣體是一種具有特殊電子結(jié)構(gòu)的材料,其表面導(dǎo)電而內(nèi)部絕緣。當(dāng)這種材料與鐵磁性材料結(jié)合時(shí),在低溫下可以觀察到量子反常霍爾效應(yīng)。
因在實(shí)驗(yàn)上首次觀測到量子反常霍爾效應(yīng),薛其坤院士于2024年獲得國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。
這些“高大上”有什么用?
其實(shí),它們對(duì)我們的生活有著非常重要的影響。
更快的電腦:量子霍爾效應(yīng)可以幫助我們制造出更小、更快的芯片,讓我們的電腦跑得更快。
更省電的手機(jī):量子反常霍爾效應(yīng)可以幫助我們制造出更省電的電子設(shè)備,讓我們的手機(jī)可以待機(jī)更久。
更精準(zhǔn)的測量:量子霍爾效應(yīng)可以用來制造非常精確的測量儀器,幫助科學(xué)家們探索微觀世界。
供稿單位:重慶市無線電科普體驗(yàn)中心
審核專家:楊耀輝
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