发现量子反常霍尔效应Q杨振宁U赞q是?dng)奖U论?span lang="EN-US">
记?淑?刘蔚?/strong>
2013q?span lang="EN-US">3?span lang="EN-US">18日，在规模宏大的国物理学会(x)q会(x)上，清华大学薛其坤院士成为焦点h物——很多华人科学家和相熟的外国学者纷U向他表C祝贺。在此三天前Q由薛其坤领衔、清华大学物理系和中U院物理所联合l成的实验团队在《科学》杂志在U发文，首次在实验上发现量子反常霍尔效应Q这意味着量子霍尔效应物理领域一个期待已久的重要现象已经被中国科学家率先观测到?span lang="EN-US">
4?span lang="EN-US">10日，?dng)物理学奖得丅R清华大学高{研I名誉院长杨振宁表C：(x)“这是第一ơ从中国实验室里发表的诺贝尔奖的物理学论文。?span lang="EN-US">
量子霍尔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?span lang="EN-US">1985q和1998q获得诺贝尔物理学奖。这ơ中国科学家们首ơ在实验上观到的量子反帔R?dng)效应，被认为可能是量子霍尔效应家族最后一个有待实验发现的成员。ؓ(f)?jin)实现这一基础U学领域的重大突_(d)他们的团队花?jin)整整四q时间?span lang="EN-US">
U学家敏锐眼光锁定至高目?/span>
量子反常霍尔效应是一个全新的量子效应Q由于其存在不需要外加磁场，因此更具应用前景Q成Z界凝聚态物理学家关注的焦点?span lang="EN-US">
2008q?span lang="EN-US">10?span lang="EN-US">15日，薛其坤清楚地记得q个日子。在Nl例行的l会(x)上，一名学生在做文献交时介绍?jin)拓扑绝~(sh)的概念以?qing)相关研I成果。从此，“拓扑绝~(sh)”走入了(jin)薛其坤的视野。拓扑绝~(sh)q个凝聚态物理中的新领域是由斯坦大学的张首晟教授与来自国和d国的另外两位U学家共同开创的。张首晟和薛其坤之间的深厚友谊和密切交流使他们意识到Q这是一个非常值得深入探究的领域。从那时P他们展开?jin)对拓扑l缘?sh)中新奇量子效应的实验研I。在一q多的时间内Q他们与清华大学物理p陈曦和N锋教授，以及(qing)中科院物理所马旭村研I员合作Q在拓扑l缘?sh)的样品生长和原位?sh)子态研I方面取得了(jin)一pd举世瞩目的成果。此后，他们瞄准?jin)更高更隄目标Q在实验上实现量子反帔R?dng)效应，也就是零场中的量子霍尔效应?span lang="EN-US">
量子反常霍尔效应是一个全新的量子效应Q由于其存在不需要外加磁场，因此在应用方面比此前发现的量子霍?dng)效应要方便得多Q可以推动新一代的低能耗晶体管和电(sh)子学器g的发展，解决?sh)脑发热{问题。因此从理论研究和实验上实现量子反常霍尔效应Q成Z界凝聚态物理学家关注的焦点?span lang="EN-US">
杨振宁先生在量子反常霍尔效应实验成果新闻发布?x)上发讲?span lang="EN-US"> 研通社记?王皓?/strong> ?span lang="EN-US">
2006q_(d)张首晟和他的学生们成功地预言?jin)第一个拓扑绝~(sh)Q一q之后，q个奇妙的预ap实验证实?jin)。从此拓扑绝~(sh)q个领域在全球范围内蓬勃发展，成ؓ(f)凝聚态物理和材料U学研究中的主要方向。由于开创拓扑绝~(sh)q个领域的杰?gu)A(ch)献，张首晟于2010q获“欧z物理奖”，2012q获国物理学会(x)“奥利弗· 巴克利奖”（Oliver BuckleyQ，q是凝聚态物理领域的最高奖?span lang="EN-US">2012q他又获得国际理论物理学最高奖“狄拉克奖”?span lang="EN-US">2013q?span lang="EN-US">3?span lang="EN-US">20日，“基物理学奖”颁奖盛典在瑞士日内瓦D行，该奖被学界称为科学界的奥斯卡奖，授奖于著名理论物理学安金，q将物理学前沿奖授予张首晟和他的同事们，表嘪他们开创拓扑绝~(sh)领域的杰?gu)A(ch)献?span lang="EN-US">2009q_(d)张首晟入选我国“千划”，成ؓ(f)清华大学高等研究院特聘教授，从此Q他立志于将拓扑l缘?sh)这个蓬勃发展的领域带入中国Qƈ与薛其坤开展了(jin)紧密合作?span lang="EN-US">
张首晟在量子反常霍尔效应实验成果新闻发布?x)上发言 研通社记?王皓?/strong> ?span lang="EN-US">
当时拓扑l缘?sh)是建立在时间反演对U性的原理上，2008q_(d)张首晟和清华大学高等研究院博士生晓亮提出，当时间反演对U性被性破坏后Q会(x)出现奇妙的量子反帔R?dng)效应，从此Q磁性拓扑绝~(sh)便成为实现量子反帔R?dng)效应的理想pȝ?span lang="EN-US">2008q_(d)清华大学博士生刘朝星和祁晓亮在张首晟?qing)中U院物理所研究员方忠和戴希的大力支持下Q提Z(jin)二维性拓扑绝~(sh)实现量子反常霍尔效应的基本机理。自旋能带的反带原理深刻影响?jin)量子反帔R?dng)效应的理论研究?span lang="EN-US">2009q_(d)张首晟和他的博士生们提出?span lang="EN-US">Bi2Se3Q?span lang="EN-US">Bi2Te3Q?span lang="EN-US">Sb2Te3掺入3d性元素，实现性拓扑绝~(sh)的方案，q做?jin)具体的解析计算。该文章发表在《自然》杂志物理分刊上。五个月后，张首晟又与中U院物理所方忠、戴希开展了(jin)紧密合作Q通过W一性原理的数D，认证?jin)该pȝ乃是性拓扑绝~(sh)Q是实现量子反常霍尔效应的理x(chng)料。该文章发表在《科学》杂志上Q引起了(jin)国内外实验物理学家的q泛x(chng)。从此，一轰烈烈的国际竞赛开始了(jin)?span lang="EN-US">
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。在实际的实验材料中要同时满三点对实验物理学家来讲是一个巨大的?xi)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?span lang="EN-US">
Z(jin)在激烈的国际竞争中脱颖而出Q薛其坤对团队成员进行了(jin)合理分工。由于高质量的材料是实现q一量子效应的关键，薛其坤亲自担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。当时何珂刚刚加入中U院物理所开始工作，王亚愚在清华的输q实验室也才搭徏调试完不久。两个年Mh对于能够负责q样重大的研I课题感到非常兴奋，然而在研究中遇到的?xi)战(sh)给他们带来很大压力。“最开始的时候不要说量子化的反常霍尔效应Q就q这些材料在d高真空的生长环境后Q能否获得可靠的输运数据Q我们都没有把握。”王亚愚说。“很长时间没有什么好l果Q我们都不太好意思见薛老师。”何珂回忆说。然而，正是薛其坤团队在高质量样品生长方面的深厚基础Q特别是薛其坤本人在样品生长关键技术方面的具体指导Q得他们在建立拓扑l缘?sh)生长动力学的基上，最l克服了(jin)重重困难?span lang="EN-US">
材料生长动力学奠定研I基
薛其坤团队在国际上率先徏立了(jin)拓扑l缘?sh)薄膜的分子束外延生长动力学Qƈ长出?jin)高质量的薄膜。从q一天vQ他们就在世界上领先Qƈ且一直将q个优势保持下去Q直x(chng)l得到完的实验l果?span lang="EN-US">
在拓扑绝~(sh)研究初期Q薛其坤敏锐地意识刎ͼ拓扑l缘?sh)材料的生长动力学与自己长期从事的砷化镓研究有非常类似的地方。于是，他迅速制定了(jin)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~(sh)材料的生长动力学。“实验{到这个方向之后，p入了(jin)我们比较擅长的领域。”薛其坤说?span lang="EN-US">
材料的生长动力学描述的是如何从一个个原子的反应最后Ş成一个宏观样品的q程。只有掌握了(jin)材料的生长动力学Q才能精地控制材料的生ѝ从1992q攻d士学位vQ薛其坤׃直从事薄膜生长动力学的系l研IӞ至今已经累积?span lang="EN-US">20余年的经验，之前也已获得两项国家自然U学二等奖?span lang="EN-US">
在薛其坤的亲自指gQ团队仅仅用三四个月的时_(d)在国际上率先徏立了(jin)拓扑l缘?sh)薄膜的分子束外延生长动力学Q实C(jin)Ҏ(gu)品生长过E在原子水^上的_控制Q得薄膜样品的质量很快辑ֈ?jin)国际领先水q뀂“这是最重要的一步，q出?jin)这一步，后面的工作才能顺利展开。”薛其坤_(d)“可以说Q从建立赯cL料的生长动力学的q一天vQ我们就奠定?jin)在q项研究中的领先C。”三l拓扑绝~(sh)的理论预a和高质量拓扑l缘?sh)薄膜的分子束外延生长动力学及(qing)?sh)子态研I等pd成果在国际学术界引v?jin)广泛?jing)响，q以总选票排名W一的成l入选?span lang="EN-US">2010q度中国U学十大q展”。此外，团队成员q获得了(jin)“求是基金会(x)”的“求是杰出科学家奖”和“求是杰出科技成就集体奖”?span lang="EN-US">
恰好在这个关键时刻，中国开始实施旨在吸引v外顶学者的 “千划”。张首晟作ؓ(f)“千划”学者受聘清华大学，自此与薛其坤团队开始了(jin)紧密的合作研I。他们决定把研究的重Ҏ(gu)在量子反帔R?dng)效应上Q因无疑是拓扑绝~(sh)领域最具媄(jing)响力的工作。张首晟深厚的学术造诣、活跃的学术思想和坚定执着的学术态度为整个项目的利实施起到?jin)非帔R要的作用?span lang="EN-US">
紧密合作q求极致通往成功
面对高难度的实验Q力求完、追求极致的U学_和紧密的团队合作让他们跨重重障，靠近胜利的彼岸?span lang="EN-US">
虽然材料生长动力学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N?sh)们也都遇到了(jin)。比如即使是高质量的拓扑l缘?sh)薄膜，也很隑ց到真正绝~；另外在拓扑绝~(sh)材料中实现自发铁序也非常困难?span lang="EN-US">
实验面(f)的瓶颈数ơ让整个团队感觉举步l艰。然而他们没有放弃，而是选择独辟y径Q最l找C(jin)一条非常合理的技术\U，q在很大E度上得益于样品生长和输q测量研I组的紧密合作。团队成员几乎每天都通过邮g和电(sh)话交实验结果，?span lang="EN-US">2~3周都?x)进行一ơ充分讨论，分析实验的所有细节，q制定下一步的详尽计划。“我们这些有不同专长、不同性格、不同思\的研Ih员(sh)ؓ(f)?jin)一个共同的目标而努力，互相交流Q互怿(j)q，是取得成功的关键。如果我们都是相似的人，反而可能无法取得这L(fng)成就。”何珂说?span lang="EN-US">
“我们很q运有一批优U的研I生。”王亚愚_(d)“他们不仅工作勤奋，而且׃思维没有束缚(x)Q在研究q程中经怼(x)提出一些让老师惊讶的奇思妙惟뀂比如能带结构工E、栅极电(sh)压调制、衬底制备、表面覆盖层的选择、微器件的加工{实验的关键步骤Q都是学生们在具体工作和怺讨论的过E中摸烦(ch)出来的。我们和学生们是一h长的。”王亚愚说?span lang="EN-US">
薛其坤和张首晟等资深U学家在关键步骤上的敏锐直觉和精准判断，以及(qing)他们U极、自信、乐观的态度也给予团队成员很大鼓励。曾l有一D|_(d)q轻的博士生们甚臌得实验没有Q何希望。作为团队的领军人物Q薛其坤看到?jin)这一切。他把大家召集在一P一番热情洋溢的讲话之后Q有位博士生形容自己感觉“浑w发热”，q劲十。此外，团队成员?sh)与方忠、戴希、刘朝星、祁晓亮、段文晖、朱邦芬{理论学者开展了(jin)紧密而愉快的合作Q加快了(jin)实验研究的进E?span lang="EN-US">
在过dq里Q团队成员共生长和测量了(jin)过1000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。功夫不负有?j)hQ每6~9个月Q他们就?x)克服一个困难，一个个Ȁ动h?j)的成果接踵而来?span lang="EN-US">
2010q_(d)他们完成?jin)?span lang="EN-US">1U米?span lang="EN-US">6U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?jin)系l的l果Q从而得准二维拓扑l缘?sh)的制备和输q测量成为可能?span lang="EN-US">
2011q_(d)他们实现?jin)对拓扑l缘?sh)能带结构的_֯调控Q其成为真正的l缘?sh)，去除了(jin)体内?sh)子对输运性质的媄(jing)响?span lang="EN-US">
2011q底Q他们在准二l、体l缘的拓扑绝~(sh)中实C(jin)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(jin)原位_֯调控?span lang="EN-US">
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?jin)?span lang="EN-US">
2012q?span lang="EN-US">3月，团队成员?sh)经意间观察到反帔R?dng)?sh)d竟辑ֈ?jin)量子?sh)ȝ0.6倍，g量子电(sh)dZ遥，q给?jin)他们极大的鼓舞Q成功只有一步之遥了(jin)Q此后，他们从各个细节全面优化生长测量条Ӟ一步一步接q奇q出现的时刻?span lang="EN-US">
四年努力见证奇迹的时?/span>
团队成员利用分子束外延生长了(jin)高质量的性掺杂拓扑绝~(sh)薄膜Qƈ在极低温下对其磁d霍尔效应q行?jin)精密测量。他们发现在一定的栅极?sh)压范围内，材料在零场中的反常霍尔电(sh)阻辑ֈ量子电(sh)阻的数值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?span lang="EN-US">
2012q?span lang="EN-US">10月的一个晚上，薛其坤收到学生的短信Q他们在实验中发C(jin)量子反常霍尔效应的迹象！回忆起那一刻，薛其坤依然清晰记得当时的Ȁ动。当晚薛其坤立即l织团队人员Q设计出几套Ҏ(gu)Q部|好?jin)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 lang="EN-US">
接下来的几天里，团队成员?sh)用“诚惶诚恐”Ş容自q?j)情。严谨的U学_告诉他们Q一ơ的l果q不能说明问题，他们需要用不同的样品多ơ重复实验?span lang="EN-US">25800Ƨ姆Q所有h都在期待q个标志性的数|然而没有h知道秘的微观世界究竟会(x)发生什么。之前一直没有做?span lang="EN-US">25800q个数|但是现在如果过?jin)怎么办？
数据不停地蟩动着Q?span lang="EN-US">10000?span lang="EN-US">20000?span lang="EN-US">25800Q数据停住了(jin)Q材料在零磁Z的反帔R?dng)?sh)阻达到量子电(sh)阻（h/e2 ~ 25800Ƨ姆Q的数值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！历史这一时刻定格Q在国物理学家霍尔?span lang="EN-US">1880q发现反帔R?dng)效?span lang="EN-US">133q后Qhcȝ于实C(jin)光子化Q实验结果如此干净漂亮Q数据完得不可思议Q每位成员都在由衷地感叹Q“这真是见证奇迹的时刻！?span lang="EN-US">
得出最l数据的那天Q薛其坤带了(jin)两瓶香槟酒，团队成员?sh)起合影，留下珍贵的回忆。那一夜，距离2008q?span lang="EN-US">10月已是整整四q。四q里Q无C不眠之夜Q功夫终不负有心(j)人?span lang="EN-US">
中国优秀U研团队向世界“亮剑?span lang="EN-US">
量子反常霍尔效应q个重大的科学发现证明，中国U学家的U学素养、研I水q_对实验技术的掌握Q已l与国际先进水^接轨。在中国加大投入基础U学研究20q后Q中国科学界已经具备一批国际水q的U学家向世界U学领域“亮剑”?span lang="EN-US">
薛其坤强调，真正的科学发现是Zhcd加新知识Q所以研I要很长的q程Q需要多q专业的训练和积累，也需要一批经q严Dl的专业选手来攻兟뀂“在原子的尺度上控制薄膜的生长，我们?span lang="EN-US">20q的l验U篏Q厚U薄发，才能q出量子反常霍尔效应实验最核心(j)的一步。”他说?span lang="EN-US">
“重大实验发现是对hcL慧的一个巨大挑(xi)战，q对研究团队的科研素dU篏Q以?qing)实验技术水q的要求都非帔R。我们的团队成员在各自的领域都是一的‘(sh)业选手’，我们的研I团队具备了(jin)国际领先水^。”薛其坤说。他Q这在很大程度上得益于最q?span lang="EN-US">20q中国对基础研究的重视和大力投入?span lang="EN-US">2005q?span lang="EN-US">~2007q_(d)时Q清华大学物理pMȝ朱邦芬院士先后引q薛其坤、陈曦和王亚愚三位实验物理学Ӟq过各种途径l他们创造良好的工作条g。中U院物理所也ؓ(f)马旭村领导的表面物理研究l和吕力领导的极低温输运研究l提供了(jin)大力支持。科学家们每个h都在各自的领域做C(jin)世界领先水^Qƈ紧密合作Q最l做Z(jin)量子反常霍尔效应q样的重大科学发现?span lang="EN-US">
“这Ҏ(gu)果是我们团队_诚合作、联合攻关的共同成果Q是中国U学家的集体荣誉。”薛其坤、张首晟、方忠等都着重强调这一炏V?span lang="EN-US">
现在Q这个诞生于中国本土的优UU研团队仍然在ؓ(f)量子反常霍尔效应的应用前景奋斗着。薛其坤表示Q“Q何一个现象从原理性的发现走到应用Q都需要不同领域科学家和工业界的共同努力，我们也会(x)与更多的人合作，努力这个领域发扬光大，不断推动它向应用方向发展。?span lang="EN-US">
杨振宁：(x)q是?dng)奖U的论文
4?span lang="EN-US">10日，?dng)物理学奖得丅R清华大学高{研I名誉院长杨振宁在谈vq项成果时称赞道Q“这是第一ơ从中国实验室里发表的诺贝尔奖的物理学论文Q?span lang="EN-US">
99%在前沿物理学做研I的人，都会(x)同意q是?dng)奖U的成果。”杨振宁肯定地说Q“过Mh们总认Z国h不擅长做实验Q仿?jng)只会(x)搞理论。其实当今中国已l有世界一的实验室，加上中国人的勤奋努力和团队的合作_Q我们是能够做出一实验的。?span lang="EN-US">
张首晟：(x)为量子霍?dng)效应画上最句?/span>
1930q前后发现量子力学基本原理，奠定?jin)半g发展的基之后Q芯片上的三极管?span lang="EN-US">18个月q一倍，散发出来的热量也随之增倍，q得信息社?x)陷入一场非怸重的危机。但Ҏ(gu)们科学家来说Q这是‘危’更是‘机’，特别是对于中国的U学家来说。如果我们抓住机遇大胆创斎ͼ完全可以蟩跃式地走在世界科学领域的前列Q从‘追随者’成长ؓ(f)‘引领者’，q个意义是非常深ȝ。因此，我们的科学家一定要抓住q个下一代信息革命的战略刉炏V?span lang="EN-US">
1879q和1880q发现霍?dng)效应和反常霍尔效应后，整数量子霍尔效应和分数量子霍(dng)效应的发现者分别获得诺贝尔物理学奖?span lang="EN-US">2006q?span lang="EN-US">~2007q_(d)我们预言q证实了(jin)量子自旋霍尔效应和拓扑绝~(sh)Q我也非常荣q地被授?span lang="EN-US">2010q“欧z物理奖”?span lang="EN-US">2012q获得美国物理学?x)“奥利弗· 巴克利奖”，q是凝聚态物理领域的最高奖?span lang="EN-US">2012q荣获“狄拉克奖”，是国际理论物理学最高奖?span lang="EN-US">2013q?span lang="EN-US">3?span lang="EN-US">20日，“基物理学奖”颁奖盛典在瑞士日内瓦D行，该奖被学界称为科学界的奥斯卡奖，授奖于著名理论物理学安金，q将物理学前沿奖授予我和我的同事们，表嘪我们开创拓扑绝~(sh)领域的杰?gu)A(ch)献。此ơ由中国U研人员发现的量子反帔R?dng)效应是霍尔效应pd的最后一个重要成员，它的发现ؓ(f)q张‘周期表’画上一个最的、最重的句号Q或加速推q信息技术革命的q程。?span lang="EN-US">
转自 清华新闻|?2013q?span lang="EN-US">4?span lang="EN-US">12?span lang="EN-US">
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