剛剛落幕的國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，由我國科學(xué)家薛其坤、王亞愚、何珂、馬旭村、呂力為代表的研究團隊完成的“量子反?；魻栃?yīng)的實驗發(fā)現(xiàn)”項目，獲得2018年度國家自然科學(xué)獎一等獎。

　　這項研究成果是世界物理學(xué)界近20年來最重要的實驗發(fā)現(xiàn)之一，成果將推動新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，可能加速推進信息技術(shù)革命的進程。

　　量子反常霍爾現(xiàn)象因何能成為物理學(xué)研究皇冠上的明珠?它的發(fā)現(xiàn)究竟具有怎樣的科學(xué)、社會、經(jīng)濟意義?請聽項目負責(zé)人、中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)副校長薛其坤怎么說。

　　神秘的霍爾效應(yīng)家族

　　從1879年美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)，到反?；魻栃?yīng)、量子霍爾效應(yīng)、反?；魻栃?yīng)量子化……科學(xué)家一步步揭開霍爾效應(yīng)家族神秘面紗

　　科學(xué)界對霍爾效應(yīng)家族的研究由來已久。從140年前霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，到2013年薛其坤團隊發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)——霍爾效應(yīng)家族不斷增添新成員。今天，我們就來揭開這些成員的神秘面紗。

　　通常，在普通導(dǎo)體中，電子的運動軌跡雜亂無章，不斷發(fā)生碰撞。而當(dāng)在導(dǎo)體兩端加上電壓后，電子就會形成沿電場方向的穩(wěn)定電流。

　　1879年，美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)，如果在通電的非磁性導(dǎo)體上增加一個垂直于電流方向的外磁場，那么，導(dǎo)體中的電子由于磁場的作用力，會在垂直于電流方向的導(dǎo)體兩端形成穩(wěn)定電荷積累，這就是著名的霍爾效應(yīng)。霍爾效應(yīng)在人類的日常生活中應(yīng)用十分廣泛。比如，信號傳感器、汽車速度表和里程表、各種用電負載的電流檢測及開關(guān)，等等。

　　1880年到1881年間，霍爾又發(fā)現(xiàn)，在有磁性的導(dǎo)體上，即使不外加磁場，也可觀測到霍爾效應(yīng)——這便是反?；魻栃?yīng)。

　　100年后，隨著量子物理學(xué)的發(fā)展，以及半導(dǎo)體技術(shù)日新月異，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在外磁場足夠強且溫度足夠低時，半導(dǎo)體硅中的電子會在原地打轉(zhuǎn)，而其邊界上會形成不易被外界干擾的、電子半圓形跳躍的單向?qū)щ娡ǖ馈戳孔踊魻栃?yīng)。在這種效應(yīng)下，電子的運動幾乎沒有能量損耗。

　　“使用計算機時，我們會遇到計算機發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態(tài)下芯片中的電子運動沒有特定軌道，相互碰撞從而發(fā)生能量損耗?！毖ζ淅ご蛄艘粋€比方，而量子霍爾效應(yīng)可以對電子的運動制定一個規(guī)則，讓它們在各自的跑道上一往無前。“這就好比一輛高速跑車，常態(tài)下是在擁擠的農(nóng)貿(mào)市場上前進，而在量子霍爾效應(yīng)下，可以互不干擾地在高速路上飛馳?！毖ζ淅ふf。

　　隨著霍爾效應(yīng)研究進入量子化時代，重大研究成果不斷涌現(xiàn)。1982年，崔琦和霍斯特·施特默發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應(yīng)，因此獲得了1998年諾貝爾物理學(xué)獎。2005年，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了石墨烯中的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，斬獲2010年的諾貝爾物理學(xué)獎……

　　量子霍爾效應(yīng)之所以如此重要，一方面由于它們展現(xiàn)了二維電子系統(tǒng)在低溫強磁場極端條件下的奇妙量子行為;另一方面這些效應(yīng)可能在未來電子器件中發(fā)揮特殊作用，可以用于制備低能耗的高速電子器件。例如，如果把量子霍爾效應(yīng)引入計算機或手機芯片，將會大大降低電腦、手機的發(fā)熱和能量耗散問題。

　　可能有人會問，這不意味著一場新的信息革命嗎?沒錯。

　　但是，霍爾效應(yīng)實現(xiàn)量子化，有著兩個極端苛刻的前提條件：一是需要十幾萬高斯的強磁場，而地球的磁場強度才不過0.5高斯;二是需要接近于絕對零度的溫度。

　　在此背景下，科學(xué)家們又提出了一個設(shè)想：普通狀態(tài)下的霍爾現(xiàn)象會出現(xiàn)反常，那么，量子化的霍爾現(xiàn)象是否也能出現(xiàn)反常?如果有，不是就可以解決外加高磁場的先決條件了嗎?

　　從2008年開始，以華人物理學(xué)家張首晟為代表的理論物理學(xué)家，與清華大學(xué)的祁曉亮、劉朝星以及中國科學(xué)院物理所方忠、戴希等展開通力合作，從理論上預(yù)期了實現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)量子化的可能性和可能的材料體系。

　　矛盾的研究

　　要實現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)量子化，所需要的實驗材料必須同時滿足3個幾乎相互矛盾的嚴(yán)苛條件，這幾乎是不可能完成的任務(wù)

　　如何讓量子霍爾效應(yīng)出現(xiàn)反常?這是過去30多年里，凝聚態(tài)物理和材料物理領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)的實驗之一。因為，要實現(xiàn)這一目標(biāo)，所需要的實驗材料必須同時滿足3個嚴(yán)苛條件。

　　簡單來說，就是要讓導(dǎo)體同時實現(xiàn)“磁性的”“拓撲的”“絕緣的”。而這3個條件之間常常是相互矛盾的，如果有磁性，做到絕緣不容易;相反如果絕緣，磁性很可能就消失了?！斑@就好比一個運動員，既要有速度又要有力量還要有技巧，這幾乎是不可能完成的任務(wù)。”清華大學(xué)物理系主任王亞愚說。

　　幸運的是，2006年，一種新型材料——拓撲絕緣體的出現(xiàn)，讓全球物理學(xué)家們看到了希望。

　　“拓撲絕緣體是一種新型量子材料，它的內(nèi)部是絕緣的，但在它的邊界或表面總存在導(dǎo)電的邊緣態(tài)。”王亞愚解釋說。

　　這種神奇材料的構(gòu)想最初是張首晟與美國另外兩位科學(xué)家共同提出的。后來，張首晟通過與中國科學(xué)院物理所和清華大學(xué)的合作，把拓撲絕緣體研究帶到了中國。

　　2009年，張首晟團隊提出了將Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3摻入3d磁性元素，實現(xiàn)磁性拓撲絕緣體的方案，并做了具體的解析計算。隨后，張首晟又與方忠、戴希開展合作，認證了該系統(tǒng)乃是磁性拓撲絕緣體，是實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的理想材料。

　　這一系列的理論工作，引起了國內(nèi)外實驗物理學(xué)家的廣泛關(guān)注。從此，一場轟轟烈烈的國際競賽開始了。

　　但是，要想真正在實驗室制作出理想的拓撲絕緣體材料，是一個世界級的科學(xué)難題。薛其坤解釋說，實驗要求做出高純度的單晶材料，100萬個原子中最多只允許出現(xiàn)一個雜質(zhì)。而且，實驗要求做出極其平整的拓撲絕緣體，材料只能是5納米(1納米等于百萬分之一毫米)厚，表面凹凸1納米都不行。

　　當(dāng)時，國際上已有多支頂尖團隊開展相關(guān)研究，而薛其坤團隊在人員、資金、經(jīng)驗方面都不占優(yōu)勢。在此情況下，薛其坤作為團隊負責(zé)人展現(xiàn)出一名科學(xué)家應(yīng)有的沉著冷靜——他對團隊成員進行了合理分工：自己帶隊去研究制作高質(zhì)量的拓撲絕緣體薄膜，王亞愚則負責(zé)反?；魻栃?yīng)的測量。

　　在拓撲絕緣體研究初期，薛其坤敏銳地意識到，拓撲絕緣體材料的生長動力學(xué)與自己長期從事的砷化鎵研究具有非常類似的地方。材料的生長動力學(xué)是描述如何從一個個原子的反應(yīng)最后形成一個宏觀晶體材料的過程。因此，只有掌握了材料的生長動力學(xué)，才能精確控制材料的生長，進而精確控制材料的質(zhì)量。

　　在團隊成員共同努力下，僅用了三四個月，他們就在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的分子束外延生長動力學(xué)，實現(xiàn)了對樣品生長過程原子水平上的精確控制。這也幫助成功研制磁性拓撲絕緣體薄膜邁出了重要堅實的一步。

　　完美的成果

　　在1881年發(fā)現(xiàn)反?；魻栃?yīng)100多年后，中國科學(xué)家終于實現(xiàn)了其量子化——而且實驗結(jié)果干凈漂亮，數(shù)據(jù)完美得幾乎不可思議

　　生長、測量、反饋、調(diào)整……從2009年開始，團隊圍繞磁性拓撲絕緣體材料的研制，開啟了不厭其煩地重復(fù)。

　　團隊成員馬旭村回憶，實驗組總共做了超過1000次磁性摻雜的樣品測量。而在生長階段就失敗而沒拿去測量的樣品，根本沒人統(tǒng)計過?！绊樌麜r，一周能做出5塊樣品;不順利時，一個月也做不出來一塊?！?/p>

　　歷經(jīng)不斷探索和磨合，團隊最終找到了一條合理的技術(shù)路線?！斑@在很大程度上得益于樣品生長和輸運測量研究組的緊密合作。團隊成員幾乎每天都通過郵件和電話交流實驗結(jié)果，每2至3周會開展一次充分討論，分析實驗的所有細節(jié)，并制訂下一步詳盡計劃?！眻F隊成員何珂說。

　　功夫不負有心人。2010年，團隊完成了對1納米到6納米厚度薄膜的生長和輸運測量，得到了系統(tǒng)的結(jié)果，從而使得準(zhǔn)二維拓撲絕緣體的制備和輸運測量成為可能。2011年，團隊實現(xiàn)了對拓撲絕緣體能帶結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，使其成為真正的絕緣體，去除了體內(nèi)電子對輸運性質(zhì)的影響。2011年底，團隊在準(zhǔn)二維、體絕緣的拓撲絕緣體中實現(xiàn)了自發(fā)長程鐵磁性，并利用外加?xùn)艠O電壓對其電子結(jié)構(gòu)進行了精密調(diào)控——至此，量子反?；魻栃?yīng)所需要的3個實驗材料苛刻條件終于全部實現(xiàn)!

　　從拓撲絕緣體材料生長初期的成功，再到后期克服實驗中的重重難關(guān)，薛其坤團隊付出了常人難以想象的努力。但實驗最終的成功與否，還要看一個標(biāo)志性實驗數(shù)據(jù)——在零磁場中，能否讓磁性拓撲絕緣體材料的霍爾電阻跳變到25813歐姆的量子電阻值。

　　奇跡出現(xiàn)在2012年10月的一個晚上。薛其坤收到學(xué)生的短信：他們在實驗中發(fā)現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng)的跡象!

　　至今，薛其坤仍然清晰記得當(dāng)時激動的心情。他當(dāng)下組織團隊人員設(shè)計出幾套方案，部署好下一步實驗。一向嚴(yán)謹?shù)难ζ淅っ靼?，一次的測量結(jié)果并不能說明問題，需要多次重復(fù)實驗。為確認看到的跡象就是量子反?；魻栃?yīng)，薛其坤邀請中國科學(xué)院物理所的呂力實驗組加入到最后階段的沖刺——他們的稀釋制冷機可以把實驗溫度降到30mk(比絕對零度高0.03℃)。

　　實驗數(shù)據(jù)不停跳動著，10000、20000、25813!數(shù)據(jù)停住了!材料在零磁場中的反?；魻栯娮柽_到量子電阻(h/e2~25813歐姆)的數(shù)值并形成一個平臺，同時縱向電阻急劇降低并趨近于零，這是量子反?；魻栃?yīng)的特征性行為。

　　這是見證奇跡的時刻——在美國物理學(xué)家于1881年發(fā)現(xiàn)反?；魻栃?yīng)100多年后，人類終于實現(xiàn)了其量子化!而且實驗結(jié)果如此干凈漂亮，數(shù)據(jù)完美得幾乎不可思議。

　　4年多艱苦卓絕的協(xié)同攻關(guān)，薛其坤團隊克服薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關(guān)，一步步實現(xiàn)了對拓撲絕緣體的電子結(jié)構(gòu)、長程鐵磁序以及能帶拓撲結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，最終為這一物理現(xiàn)象的實現(xiàn)畫上了完美句號。

　　“建立新的科學(xué)理論、發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)效應(yīng)和科學(xué)規(guī)律是基礎(chǔ)研究皇冠上的明珠。量子反?；魻栃?yīng)是一個基于全新物理原理的科學(xué)效應(yīng)，是中華人民共和國成立以來我國獨立觀測到的不多的科學(xué)效應(yīng)之一，是我國物理學(xué)工作者對人類科學(xué)知識寶庫的一個重要貢獻?！毖ζ淅ふf。