~者按
国家自然U学奖一{奖是我国自然科学领域的最高奖，主要奖励在基研究和应用基研究领域获得重大H破的科学家。由于该奖项评选严|在历史上曑֤q空~??日，由清华大学薛其坤院士领衔Q清华大学、中国科学院物理所联合l成的实验团队完成的“量子反帔R?dng)效应的实验发现”项目获2018q度国家自然U学奖一{奖。薛其坤教授领衔的科研团队在世界上首ơ在实验上观到量子反常霍尔效应Q实Cq一基础U学领域的重大突破。薛其坤教授表示Q材料生长动力学奠定了他们的研究基础。本期特邀(g)薛其坤院士介l量子反帔R?dng)效应发现实验的q程以及(qing)背后的材料物理学研究?/span>
2019q??日，薛其坤院士在清华大学量子信息中心实验室介l其团队的成果。光明图?视觉中国
我国强磁场科学中心自ȝ制的混合体装置。光明图?视觉中国
建立新的U学理论、发现新的科学效应和U学规律是基研究皇冠上的明珠。量子反帔R?dng)效应是一个基于全新物理原理的U学效应Q是我国独立观测到的为数很少的科学效应之一Q是我国物理学工作者对人类U学知识宝库的一个重要A(ch)献?/span>
面对q项世界U的实验NQ我们科研团队的每一位成员不׃命、敢Zh先、挑战极限、挑战自我、追求极_(d)严}求实的科学精和U研作风是我们取得成功的法宝。具体来_(d)量子反常霍尔效应的实验发现是清华大学“双一大学”徏讑־E中在科研方面的一个标志性成果，也标志着我国拓扑量子物理的实验研I居世界领先C。而材料生长动力学研究奠定了这个发现的基础Q从建立h扑绝~材料的生长动力学机制的那一天vQ我们就奠定了在q项研究的世界领先地位?/span>
1、徏立v拓扑l缘体材料的生长动力学是实验关键的一?/span>
量子反常霍尔效应Q对普通h来说Q拗口而晦涩。但在物理学家眼中，它神奇又妙。量子霍?dng)效应在凝聚态物理中占据着极其重要的地位。整数量子霍?dng)效应和分数量子霍尔效应的实验发现分别?985q和1998q获得诺贝尔物理学奖?/span>
量子反常霍尔效应意味着在零场中，霍尔?sh)阻跛_到约25800Ƨ姆的量子电(sh)d{要实现q一不可思议的量子现象，所需要的实验材料必须同时满三项非常苛刻的条Ӟ(x)材料的能带结构必d有拓扑特性，从而具有导늚一l边~态；材料必须h长程铁磁序，从而存在反帔R?dng)效应；材料的体内必Mؓ(f)l缘态，从而对导电(sh)没有M贡献。这如同要求一个h同时h短跑q动员的速度、篮球运动员的高度和体操q动员的灵yQ其隑ֺ可想而知?/span>
在实际的实验材料中要同时满q三点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战Q美国、d国、日本等国的一科学家׃无法在材料中同时满q三点，而未取得最后的成功。ؓ(f)了在Ȁ烈的国际竞争中脱颖而出Q我们团队成员进行了合理分工?/span>
高质量的材料是实现这一量子效应的关键，我担L品生长的总负责，q指定马旭村研究l的何珂带领几位研究生具体进行。反帔R?dng)效应测量则由清华大学物理系教授王亚愚负责?/span>
在拓扑绝~体研究初期Q我敏锐地意识刎ͼ拓扑l缘体材料的生长动力学与我长期从事的砷化镓研I有非常cM的地斏V于是，我迅速制定了实验Ҏ(gu)——按照生长砷化镓的方法进行实验，首先建立h扑绝~体材料的生长动力学?/span>
我们团队用三四个月的旉Q在国际上率先徏立了拓扑l缘体薄膜的分子束外延生长动力学Q实现对样品生长q程在原子水q上的精控Ӟ使薄膜样品的质量很快辑ֈ国际领先水^。这是最重要的一步，q出了这一步，后面的工作才利展开?/span>
2、量子反帔R?dng)效应所需要实验材料的三个苛刻条g全部实现
材料生长动力学机制这一关键问题得以解决Q但qƈ不意味着接下来的工作是一片坦途。毫不例外的Q实现量子反帔R?dng)效应所需的三个苛L件带来的U种NQ我们也都遇C?/span>
比如即是高质量的拓扑绝~体薄膜Q也很难做到真正l缘Q另外在拓扑l缘体材料中实现自发铁磁序也非常困难。在四年里，我们团队成员q长和量了超q?000个样品，q过一ơ次的生ѝ测量、反馈、调_(d)争取每一步都做到极致?/span>
2010q_(d)我们完成了对1U米?U米Q头发丝_细的万分之一Q厚度薄膜的生长和输q测量，得到了系l的l果Q从而得准二维拓扑l缘体的制备和输q测量成为可能?/span>
2011q_(d)我们实现了对拓扑l缘体能带结构的_֯调控Q其成为真正的l缘体，去除了体内电(sh)子对输运性质的媄(jing)响?/span>
2011q底Q我们在准二l、体l缘的拓扑绝~体中实C自发长程铁磁性，q利用外加栅极电(sh)压对其电(sh)子结构进行了原位_֯调控?/span>
pP量子反常霍尔效应所需要实验材料的三个苛刻条gl于实现了！
2012q?0月的一个晚上，我收到学生的短信Q在实验中发C量子反常霍尔效应的迹象！
当晚Q我立即设计出几套方案，部v好了下一步的实验Q特别是和中U院物理所吕力研究l合作，实验推q到接近l对零度的极低温?/span>
接下来的一D|间里Q数据不停地跛_着Q?0000?0000?5800Q数据停住了Q材料在零磁Z的反帔R?dng)?sh)阻达到量子电(sh)ȝ数值ƈ形成一个^収ͼ同时U向?sh)阻急剧降低q趋q于Ӟq是量子化反帔R?dng)效应的特征性行为！
历史在这一时刻定格Q在国物理学家霍尔?880q发现反帔R?dng)效?33q后Qhcȝ于实C光子化Q这一步由我们中国人的实验完成Q?/span>
3、材料是未来工业革命的关键，导或定义一个新时代
量子反常霍尔效应可能有助于在未来解决摩尔定律的瓶颈问题，若应用到?sh)子器g中，有望克服包括计算片等很多?sh)子器g发热耗能{带来的一pd问题Q推动半g工业的革命。它的发现或带来下一ơ信息技术革命，我国U学家ؓ(f)国家争夺了这Z息革命中的战略制高点Q这其中材料和物理学功不可没?/span>
材料是工业革命的基础之一。纵观过d生的几次工业革命Q除了科学的q步Q材料的发展起到了极光要的作用。青铜、钢铁和半导体材料的发展与工业革命和人类文明的进E息息相兟뀂如果有人问Q下一个能定义人类文明q步的材料是什么？作ؓ(f)一个科学家Q我觉得很可能是高温导材料Q特别是室温导材料?/span>
导现象?911q荷兰的U学家昂斯发现的，1913q他获得了诺贝尔物理学奖。当温度降低Ӟl大部分金属材料的电(sh)M(x)下降Q接q绝寚w度的时候材料的?sh)阻会(x)停在一个有限g。所有的金属材料都这栗但是，导材料表现则不一P随着温度的降低，C导转变温度Ӟ?sh)阻会(x)陡然下降到Ӟd消失了。这个现象叫导电(sh)性，U超对{?/span>
导材料另外一个特性是完全抗磁性。由于完全抗性，导材料?x)(zhn)在一个磁铁上。在导状态时Q材料的?sh)阻为零Q如果把材料通上甉|Q电(sh)就可以永远的流动下去，材料当然也不?x)发热。在当今C会(x)Q电(sh)的应用无处不在。可以想象，如果人类扑ֈ了在室温下就能超导的材料Q其意义是非常的重大，甚至不亚于电(sh)的发明，它一定会(x)D工业的革命。导致hcL明的巨大q步。大安看过?sh)?jing)《阿凡达》，?sh)?jing)中显CZ2154q时奇特的?zhn)山Q这个?zhn)山是由室温超导材料构成的。发明的一U材料是“不可得到的”?/span>
导的应用很多。大家熟(zhn)的是输c(din)输?sh)靠导线Q目前用于输늚所有导UK是有?sh)阻的，因此费的?sh)能占到输?sh)量?%以上。全世界每年因ؓ(f)q种输电(sh)U\损耗有1.5万亿度电(sh)被浪Ҏ(gu)。如果材料没有电(sh)MQ仅q一就?x)节省巨大的能源Q这是一仉怺不v的事情。超D有其他应用。以清华大学物理pL必松教授的工作ؓ(f)例，他们使用导材料以后Q可以雯的探范围能增加200多公里?/span>
但是Q超导材料的导转变温度通常是非怽的。按照超导理论，导材料是在一个很微弱的作用下让互相排斥的?sh)子形成电(sh)子对而达到超导状态的Q温度效应很Ҏ(gu)破坏q个作用Q把q些?sh)子?gu)散开Q这是Z么只有在很低的温度下材料才能辑ֈ导状态的原因。也是因个原因，L高温导材料Q提高超D{变温度一直是物理学一个非帔R要的研究方向。就像我们讲l济发展是硬道理一P提高材料的超D{变温度是高温导研究的硬道理?/span>
1986q_(d)瑞士两个U学家发C导转变温度高于77K的高温超导材料?7K是液氮的沸腾温度。这意味着使用h比较低廉的液氮就可以使材料没有电(sh)阻，q对导的广泛应用意义重大。因个重大发玎ͼq两位科学家W二q_(d)1987q_(d)(j)p得了?dng)物理奖。但是大家在U学上不理解Z么超D在这么高的温度下存在。如果理解了Q就有可能找到室温超|所以大安惛_理解它?/span>
现在Q过了三十多q_(d)Z仍然没有理解高温导的机理，可以说这是个凝聚态物理学的世U难题。我们的研究团队目前一个重要科学目标，是高温导机理。我们把q个U学目标与材料科学研I密切结合，像攻克量子反帔R?dng)效应发现的实验一P我们希望通过材料斚w的突破实现这个重大科学目标。也许这是攀LU学高峰的契机，我们正在牢牢地抓住这个契机，忘我工作?/span>
Q作者：(x)薛其坤，pL华大学副校长、中国科学院院士Q?/span>
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