增强经济走势预见性,而在量子反常霍尔效应下

国务院总理李克强近日主持召开新一届政府首次经济形势专家和企业负责人座谈会,听取对当前经济形势的看法和建议。

“这个研究成果是从中国实验室里,第一次发表出来了诺贝尔物理奖级别的论文,这不仅是清华大学、中科院的喜事,也是整个国家发展中喜事。”4月10日,诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授高度评价了我国科学家的重大发现——量子反常霍尔效应。

增强经济走势预见性

由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的试验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这一世界基础研究领域的重大研究成果,从理论研究到实验观测全部由我国科学家独立完成。美国《科学》杂志于3月14日在线发表这一研究成果。由于此前和量子霍尔效应有关的科研成果已经3获诺贝尔奖,业界很多人士对这项“可能是量子霍尔效应家族最后一个重要成员”的研究给予了极高的关注和期望。那么什么是量子反常霍尔效应?对它的研究为什么引起世界各国科学家的兴趣?它的发现有什么重大意义?

座谈会上,来自高校、研究机构等方面的专家学者对当前国际国内宏观经济形势和我国外贸、金融、房地产等的运行情况发表了看法,来自家电、纺织、能源、机械制造等领域的企业负责人反映了当前市场变化和企业经营状况。

重要性

在专家和企业家发言后,李克强说,今年以来,我国经济运行总体上是平稳开局,这有利于稳定各方面预期。把握宏观经济走势要增强预见性,善于在纷繁变化中寻找规律性、倾向性的东西,这对经济持续健康发展至关重要。有了预见性,企业和社会就能更合理地配置资源,适时作出决策;政府也能够心中有数,谋定而后动,既未雨绸缪,居安思危,又可以做到处变不惊、及时和从容应对。

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提高发展质量和效益

在认识量子反常霍尔效应之前,让我们先来了解一下量子霍尔效应。量子霍尔效应,于1980年被德国科学家发现,是整个凝聚态物理领域中重要、最基本的量子效应之一。它的应用前景非常广泛。

李克强指出,把握宏观政策,既要站稳脚跟,更要着眼升级。我国经济发展正处在“爬坡过坎”的关键阶段,必须远近结合,在有效应对好短期问题、保持经济合理增长速度的同时,更加注重提高发展的质量和效益,把力气更多地放在推动经济转型升级上来,放到扩大就业和增加居民收入上来。出台的每一项政策,既要对解决当前问题有针对性,更要为长远发展“垫底子”,努力打造中国经济“升级版”。

薛其坤院士举了个简单地例子:我们使用计算机的时候,会遇到计算机发热、能量损耗速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生热量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则,让他们在各自的跑道上“一往无前”地前进。“这就好比一辆高级跑车,常态下是在拥挤的农贸市场上前进,而在量子反常霍尔效应下,则可以在‘各行其道、互不干扰’的高速路上前进。”薛其坤打了个形象的比喻。

靠深化改革增强后劲

然而,量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场,“相当于外加10个计算机大的磁铁,这不但体积庞大,而且价格昂贵,不适合个人电脑和便携式计算机。”薛其坤说,而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场,在零磁场中就可以实现量子霍尔态,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

李克强强调,必须依靠深化改革增强发展后劲。针对中国经济不平衡、不协调、不可持续的深层次矛盾,要对症下药,开出的每一剂“药方”,既能够治标、更能够治本。这从根本上讲还得靠改革,通过改革固本培元、增强经济发展的元气。即使必须要出台一些临时性的措施,也要注意不能给今后推进市场化改革和发展设置障碍。要注重形成能够长期有效的、对增强发展后劲管用的制度安排,不断释放改革红利,促进经济长期持续健康发展。

自1988年开始,就不断有理论物理学家提出各种方案,然而在实验上没有取得任何进展。2010年,我国理论物理学家方忠、戴希等与拓扑绝缘体领域的开创者之一张首晟教授合作,提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等有多个世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应,但一直没有取得突破。

国务院副总理张高丽、刘延东、汪洋、马凯,国务委员杨晶、王勇参加座谈会。

薛其坤团队经过近4年的研究,生长测量了1000多个样品。利用分子束外延方法,生长出了高质量的Cr掺杂2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。

“量子反常霍尔效应可在未来解决摩尔定律瓶颈问题,它发现或将带来下一次信息技术革命,我国科学家为国家争夺了这场信息革命中的战略制高点。”拓扑绝缘体领域的开创者之一、清华大学“千人计划”张首晟教授说。

创新性

让实验材料同时具备“速度、高度和灵巧度”

从美国物理学家霍尔丹于1988年提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应,到我国科学家为这一预言画上完美句号,中间经过了20多年。课题组成员、中科院物理所副研究员何珂告诉记者:“量子反常霍尔效应实现非常困难,需要精准的材料设计、制备与调控。尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径,但所需的材料和结构非常难以制备,因此在实验上进展缓慢。

“这就如同要求一个运动员同时具有刘翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的灵巧度。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度,而要同时满足这三点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战。”课题组成员、清华大学王亚愚教授这样描述实验对材料要求的苛刻程度。

实验中,材料必须具有铁磁性从而存在反常霍尔效应;材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献,只有一维边缘态参与导电;材料的能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态,即一维导电通道。

2010年,课题组完成了对1纳米到6纳米厚度薄膜的生长和输运测量,得到了系统的结果,从而使得准二维超薄膜的生长测量成为可能。

2011年,课题组实现了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控,使得其体材料成为真正的绝缘体,去除了其对输运性质的影响。

2012年初,课题组在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性,并利用外加栅极电压对其电子结构进行原位精密调控。

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