中國的雷達技術中有一點和美國差距明顯,那就是因為電子元件材料和工藝的差距,在電磁波和電流傳輸過程中,將會產生更大的電阻,散發更多的熱量。這樣就導致了能量利用率的降低,我國必須用更大的電源和更多的雷達元件才能夠達到美國同等雷達的水平,這在實戰中表現出來的是其重量大大增加。
如果作為機載雷達裝載飛機上,將會使得飛機機動性下降嚴重,如果作為地面雷達使用,則會降低其機動性,讓其受到反輻射飛彈的威脅更大。想在傳統材料工藝上與美國一步步追趕,則只能限於亦步亦趨的地步,而如果有一項新的技術突破實現「彎道超車」就再好不過了。
清華大學的薛其申院士的凝聚態物理團隊就實現了這一超越,他們首先發現了反常霍爾效應,實現了世界上的首次突破。
一般物體中的電子都處於複雜的布朗運動狀態,毫無規律,即使通上電流時,這種狀態一般也不會被改善。只有很長的電子是沿著磁場規律運動的,電子的無規律運動和互相碰撞導致了電場能量被大部分的浪費掉。
但如果給這個道題施加一個垂直於電場方向的磁場,那麼由於洛倫茲力的影響,電子就會傾向於規律運動,磁場越大,運動越規律,在導體的垂直於磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電勢差,這一現象就是霍爾效應,大大減少電子運動的阻力。
但要做到霍爾效應,需要極強的磁場,一塊小導體要差不多一個人高,1米直徑大的磁場器件,這在實際運用中就無法做到了,於是科學家們設想有沒有一種物體,可以在沒有外加磁場的情況下也出現霍爾效應呢?
在發現霍爾效應以後人們發現了電流和磁矩之間的自旋軌道耦合相互作用也可以導致的霍爾效應。只要破壞時間反演對稱性這種霍爾效應就可以存在,稱為反常霍爾效應。如果能夠在實驗室觀察到某種材料可以做到,那麼這個成果將對世界電子產品產生革命性的影響。
世界科學們為此做出了不斷的努力,想要摘得這顆凝聚態物理科學皇冠上的明珠,而清華大學的薛其坤院士在2013年終於第一個完成了對於該反常霍爾效應的觀測。他們利用自製的極其精密的科學儀器做出了精度極高的新材料,生長和測量了1000多個樣品,利用分子束外延的方法生長了高質量的磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜,將其製備成輸運器件並在極低溫環境下對其磁電阻和反常霍爾效應進行了精密測量。
他終於發現在一定的外加柵極電壓範圍內,此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應的特徵值h/e2~25800歐姆,從而觀察到了這一現象,為人類運用反霍爾效應打開了大門,而同一時期的美國和日本科學家都沒有成功做到這一點。
該材料一旦生產運用,將會使得我國電子產品的效率大大提高,從而極大的降低雷達元器件能耗,實現對美國同類產品的全面超越,這對今後的雙方軍事對抗起到決定性作用。我們的科學家一隻在不斷攻關,只是基礎研究領域取得成果相對較慢,但這並不代表他們沒有在為我國的科技事業進行著孜孜不倦的努力。此外,應用研究可短期獲得成果,而基礎研究則寒窗十年也不一定能取得突破,後者對提升我國科技水平具有不可估量的巨大作用。
薛其申院士,是中華民族在科技領域脊樑的代表。