国际新能源网讯：电子“热损耗”是如何产生的？

    日常生活中，当我们长时间使用笔记本电脑时，会发现笔记本变热，当温度高于一定值时，笔记本的内置风扇便会启动，开始降温工作。这种不可避免的热效应，是由于计算机芯片里电子的无规则运动所引发的碰撞而产生的。普通状态下的电子，是杂乱无章的，无时不刻都在做无序运动，它们彼此会发生碰撞，而这种碰撞会导致发热。几乎所有的电子元件在工作时都不可避免地伴随着热效应的产生，导致能量的损耗，效率的降低。如何减小这种热效应，把它降到最低，甚至完全消除，一直以来都是科学家们试图克服的难题。我们的日常生活中充满了各式各样、各种功能的电器、设备，倘若能够消除它们工作时伴随产生的大量热损耗，毫无疑问，这将大大减少对能源的消耗。

    “量子反常霍尔”效应

    最近，薛其坤院士带领清华大学物理系和中国科学院物理研究所的科研人员首次在实验中发现“量子反常霍尔”效应，这一研究解决了电子碰撞发热的问题，该工作于今年3月15日发表在国际顶尖的《科学》杂志上。杨振宁盛赞“量子反常霍尔”效应时说，“我认为这一次的成功，是中国实验室里发表的第一次诺贝尔奖级的物理学论文”。

    什么是“量子反常霍尔”效应？要回答这个问题，我们首先从“量子霍尔”效应说起。

    1879年美国物理学家霍尔（Edwin Hall）发现一个效应，一块长方形的导体，当电流在长度方向流动时，如果在导体的垂直方向施加一个磁场，那么导体在宽度方向便产生一个新的电压，电子进行规则的运动，从而产生电流，这就是“霍尔”效应。“量子霍尔”效应是“霍尔”效应的量子力学版本。这个效应比电子的发现还早了18年。

    这种“量子霍尔”效应的实现需要提供一个磁场，通常是地球的地磁场的几十万甚至上百万倍，产生这样的磁场需要一个非常大的设备，大体上有冰箱那么大，成本很高。显然，这种“量子霍尔”效应很难被广泛应用。与之相比，“量子反常霍尔”效应则不需要任何的外加磁场，便可实现电子的规则运动。但实现这个效应受到两方面的制约：材料和温度。

    “拓扑绝缘体”的发现

    “拓扑绝缘体”，最初由美籍华裔物理学家，斯坦福大学张首晟教授等在2008年进行了理论预言，将这种材料涂在一种铁磁性材料的上面，当两种材料融合在一起时，便会发生反常的“量子霍尔”效应。“量子反常霍尔”效应不需要磁场，因此它可以把器件做得非常小，并可以大大降低晶体管的能耗。“量子反常霍尔”效应比“量子霍尔”效应要稳定，对外界环境有更强的适应能力。“量子反常霍尔”效应在量子计算、量子信息存储等方面拥有巨大的应用潜力。如果把量子器件大规模集成到小小的芯片上，将极大地提高它们的运行效率。

    张首晟教授因在拓扑绝缘体方面的研究，获得了2013年“尤里”基础物理学奖的前沿奖。颁奖仪式于3月20日在瑞士的日内瓦举行，著名广义相对论和宇宙学专家斯蒂芬。霍金（Stephen Hawking），与欧洲核子研究组织的七名科学家获得了特别奖。

    温度的束缚

    从理论到实践再到推广应用并不能一蹴而就，目前，“量子反常霍尔”效应只有在极低的温度下才能观察到 （0.03开尔文， 即零下273.12摄氏度），而通过在材料和技术上的不断突破，把材料工作温度提高到日常温度，我们还有很长的路要走。