諾貝爾物理學獎即將揭曉 今年會是凝聚態物理嗎？

　　摘要：「去年是高能領域的引力波獲得諾貝爾物理學獎，今年可能會是光學或是電磁學吧。」

　　北京時間今天（10月2日）下午17時45分，2018諾貝爾物理學獎將揭曉。

　　日前，有6位科學家獲得了被譽為「諾獎風向標」的科睿唯安物理學領域「引文桂冠獎」。其中，美國伊利諾伊州芝加哥大學的大衛·奧沙隆和美國加州大學聖巴巴拉分校的阿瑟 C·戈薩德，由於觀測到了半導體中的自旋霍爾效應，獲得了該榮譽。

　　2017諾貝爾物理學獎得主巴里·巴里什不久前曾預測，今年的諾貝爾物理學獎可能會是凝聚態物理。自旋電子學是凝聚態物理和微電子的交叉學科，大衛·奧沙隆和阿瑟 C·戈薩德是否有希望呢？解放日報·上觀新聞記者採訪了上海科技大學助理教授寇煦豐。

　　有望極大地降低晶元能耗

　　「這就像是構築起了電子的高速公路，電子可以有規律地運動了，而之前連個交通指揮燈都沒有，電子就會亂撞。」說到半導體材料里的自旋霍爾效應，寇煦豐生動地打了個比方。

　　傳統電子計算機中0和1這兩個邏輯值是由半導體內的電子數目表示的，但這個界定不夠嚴謹，比如設定100為閾值，那麼有101個或是 99個電子，到底是算0還是1呢？與電荷數相對應的，電子本身只有兩種自旋態，即自旋向上或自旋向下，使用這種自旋態來表達0或1就比較精準，但一直以來利用電場對半導體內自旋態的操控比較困難，很難具體應用。

　　上個世紀70-90年代，先後有前蘇聯和美國的理論物理學家提出可以利用半導體內部自旋與原子軌道耦合的作用來實現對電子自旋態的調控。大衛·奧沙隆和阿瑟 C·戈薩德，在2004年首次通過實驗，利用磁光克爾顯微鏡，在半導體材料砷化鎵的邊緣探測到了向上和向下的自旋電流分離的自旋霍爾效應。「這就像是實現了兩個不同方向的車流在高速公路的相向而行，從而在根本上解決了傳統電子器件發熱的問題。」寇煦豐說，這一工作極大地推動了其後自旋電子學發展，如今這個領域每天都有大量相關文章發表。此外，自旋電子學和傳統微電子相結合，有望極大地降低晶元能耗，這也是目前計算機發展的最大瓶頸。

　　「今年可能會是光學或是電磁學」

　　大衛·奧沙隆和阿瑟 C·戈薩德是否有可能拿下2018諾貝爾物理學獎呢？寇煦豐告訴解放日報·上觀新聞記者，這兩位科學家的實驗工作是後摩爾定律時代非常重要的一個貢獻，之後的量子自旋霍爾效應也是在這個基礎上的工作。但在自旋電子學領域，開創性的發現有很多，這個工作只是其中之一，若從里程碑的角度來講，含金量還沒有那麼大。此外，自旋霍爾效應是先有理論再有實驗驗證，按照諾貝爾獎的慣例，即使這個獎頒給自旋霍爾效應，也需要跟做理論的科學家共同分享。

　　2016年諾貝爾物理學獎授予了三位美國科學家——戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，以表彰他們發現了物質拓撲相，以及在拓撲相變方面做出的理論工作。「拓撲相這個工作是和自旋電子學相關的領域。根據諾貝爾物理學獎不成文的『風水輪流轉』規律來看，可能這兩年不會再頒發給同樣領域的工作。」

　　「如果真要預測的話，去年是高能領域的引力波獲得諾貝爾物理學獎，今年可能會是光學或是電磁學吧。」寇煦豐說。

　　欄目主編：黃海華文字編輯：黃海華題圖來源：視覺中國（概念圖）圖片編輯：笪曦

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