高校科学营随笔

        合肥二中丁纪翔

由中国科协和教育部举办的 2017 青少年高校科学营活动7月16日在北京开营。自 2012 年起，由中国科协和教育部共同主办，中科院、国资委、铁路总公司等支持的青少年高校科学营活动，每年在暑期资助海峡两岸及港澳地区万余名对科学有浓厚兴趣的优秀高中生走进重点高校、企业、科研院所，参加为期一周的科技与文化交流活动。学生将有机会走进国家重点实验室和企业研发中心，聆听名家大师精彩报告，参加科学探究及趣味文体活动等。旨在充分开发开放科研单位、企业的科技教育资源，让广大青少年了解科研单位、企业在国家经济发展和国防建设中的重大作用，感受科技魅力、科学家精神，进而培养对科学研究的兴趣，并增进海峡两岸及港澳地区不同民族青少年间的友谊。

今天上午，2400 余名学生和教师代表于北京市邱德拔体育馆参加了开营活动。这些学生将在未来一周参与到北京大学、清华大学、北京航空航天大学等高校特别定制的高校活动中。营员们将参观天文光学观测基地、进行航模和小火箭的制作并听取航空航天知名院士的讲座，一系列科普实践活动将丰富学生们的假期生活。参加2017 青少年高校科学营活动的还有来自港澳台的近 1000 名学生及教师，他们不少人都对这次活动充满了期待。在北大学生代表的热情表演后，开营式圆满结束。

回到清华，当日下午，营员们于清华大礼堂有秩序地参与了全国华人高中生物理论坛。有幸请到了清华大学副校长王希勤教授、OCPA 主席许怒教授、清华大学副校长薛其坤院士、清华大学物理系高原宁教授、诺贝尔奖获得者朱棣文教授、杜克大学张绵福教授、清华大学工程物理系及天体物理系冯骅教授以及清华物理系朱邦芳院士为我们带来精彩讲座。其中，最令人振奋的当属薛其坤院士的超越欧姆定律的物理学。由简到繁，向我们说明了霍尔效应、反常霍尔效应、量子霍尔效应和量子反常霍尔效应。

霍尔效应是电磁效应的一种，当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应。在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场力与洛伦兹力产生平衡之后，不再聚集，此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，此过程产生的内建电压又称为霍尔电压。

反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的，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。量子霍尔效应需要在低温强磁场的极端条件下才可以被观察到，此时霍尔电阻与磁场不再呈现线性关系，而出现量子化平台。

量子反常霍尔效应不同于量子霍尔效应，它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。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。2013 年，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实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。美国《科学》杂志于

2013 年 3 月 14 日在线发表这一研究成果。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、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上“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，而在量子霍尔效应下，则可以在‘各行其道、互不干扰’的高速路上前进。” 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。”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。