¾~–者按

国家自然¿U‘学奖一½{‰å¥–是我国自然科学领域的最高奖™å¹ï¼Œä¸»è¦å¥–励在基¼‹€ç ”究和应用基¼‹€ç ”究领域获得重大½Hç ´çš„科学家。由于该奖项评选严æ û|¼Œåœ¨åŽ†å²ä¸Šæ›‘Ö¤šòq´ç©º¾~ºã€?æœ?日，由清华大学薛其坤院士领衔åQŒæ¸…华大学、中国科学院物理所联合¾l„成的实验团队完成的“量子反帔Rœž®?d¨¡ng)效应的实验发现”项目获2018òq´åº¦å›½å®¶è‡ªç„¶¿U‘学奖一½{‰å¥–。薛其坤教授领衔的科研团队在世界上首‹Æ¡åœ¨å®žéªŒä¸Šè§‚‹¹‹åˆ°é‡å­åå¸¸éœå°”效应åQŒå®žçŽîCº†˜q™ä¸€åŸºç¡€¿U‘学领域的重大突破。薛其坤教授表示åQŒææ–™ç”Ÿé•¿åŠ¨åŠ›å­¦å¥ å®šäº†ä»–们的研究基础。本期特邀(g¨¨)薛其坤院士介¾lé‡å­åå¸”Rœž®?d¨¡ng)效应发现实验的˜q‡ç¨‹ä»¥åŠ(qi¨¢ng)背后的材料物理学研究ã€?/span>

2019òq?æœ?日，薛其坤院士在清华大学量子信息中心实验室介¾lå…¶å›¢é˜Ÿçš„成果。光明图ç‰?视觉中国

我国强磁场科学中心自ä¸È ”制的混合¼‚ä½“装置。光明图ç‰?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¼‹€ç ”究皇冠上的明珠。量子反帔Rœž®?d¨¡ng)效应是一个基于全新物理原理的¿U‘学效应åQŒæ˜¯æˆ‘国独立观测到的为数很少的科学效应之一åQŒæ˜¯æˆ‘国物理学工作者对人类¿U‘学知识宝库的一个重要èµA(ch¨³)献ã€?/span>

面对˜q™é¡¹ä¸–ç•Œ¾U§çš„实验éšùN¢˜åQŒæˆ‘们科研团队的每一位成员不è¾×ƒ‹É命、敢ä¸ÞZh先、挑战极限、挑战自我、追求极è‡ß_(d¨¢)¼Œä¸¥è°}求实的科学精¼œžå’Œ¿U‘研作风是我们取得成功的法宝。具体来è¯ß_(d¨¢)¼Œé‡å­åå¸¸éœå°”效应的实验发现是清华大学“双一‹¹å¤§å­¦â€å¾è®‘Ö¾½E‹ä¸­åœ¨ç§‘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½I¶å±…世界领先åœîC½ã€‚而材料生长动力学研究奠定了这个发现的基础åQŒä»Žå»ºç«‹èµäh‹“扑绝¾~˜ææ–™çš„生长动力学机制的那一天è“våQŒæˆ‘们就奠定了在˜q™é¡¹ç ”究的世界领先地位ã€?/span>

1、徏立è“v拓扑¾lç¼˜ä½“材料的生长动力学是实验关键的一æ­?/span>

量子反常霍尔效应åQŒå¯¹æ™®é€šäh来说åQŒæ‹—口而晦涩。但在物理学家眼中，它神奇又¾ŸŽå¦™ã€‚量子霍ž®?d¨¡ng)效应在凝聚态物理中占据着极其重要的地位。整数量子霍ž®?d¨¡ng)效应和分数量子霍尔效应的实验发现分别äº?985òq´å’Œ1998òq´èŽ·å¾—诺贝尔物理学奖ã€?/span>

量子反常霍尔效应意味着在零¼‚åœºä¸­ï¼Œéœå°”ç”?sh¨´)阻跛_˜åˆ°çº¦25800‹Æ§å§†çš„量子电(sh¨´)é˜Õd€¹{€‚要实现˜q™ä¸€ä¸å¯æ€è®®çš„量子现象，所需要的实验材料必须同时满èƒö三项非常苛刻的条ä»Óž¼š(x¨¬)材料的能带结构必™åÕd…·æœ‰æ‹“扑特性，从而具有导ç”늚„一¾l´è¾¹¾~˜æ€ï¼›ææ–™å¿…é¡»å…ähœ‰é•¿ç¨‹é“ç£åºï¼Œä»Žè€Œå­˜åœ¨åå¸”Rœž®?d¨¡ng)效应；材料的体内必™åÖMØ“(f¨´)¾lç¼˜æ€ï¼Œä»Žè€Œå¯¹å¯¼ç”µ(sh¨´)没有ä»ÖM½•è´¡çŒ®ã€‚è¿™ž®±å¦‚同要求一个äh同时å…ähœ‰çŸ­è·‘˜qåŠ¨å‘˜çš„速度、篮球运动员的高度和体操˜qåŠ¨å‘˜çš„灵åéyåQŒå…¶éš‘Öº¦å¯æƒ³è€ŒçŸ¥ã€?/span>

在实际的实验材料中要同时满èƒö˜q™ä¸‰ç‚¹å¯¹å®žéªŒç‰©ç†å­¦å®¶æ¥è®²æ˜¯ä¸€ä¸ªå·¨å¤§çš„挑战åQŒç¾Žå›½ã€å¯d国、日本等国的一‹¹ç§‘学家ç”׃ºŽæ— æ³•åœ¨ææ–™ä¸­åŒæ—¶æ»¡èƒö˜q™ä¸‰ç‚¹ï¼Œè€Œæœªå–得最后的成功。äØ“(f¨´)了在‹È€çƒˆçš„国际竞争中脱颖而出åQŒæˆ‘们团队成员进行了合理分工ã€?/span>

高质量的材料是实现这一量子效应的关键，我担ä»ÀL ·å“ç”Ÿé•¿çš„总负责，òq¶æŒ‡å®šé©¬æ—­æ‘研究¾l„的何珂带领几位研究生具体进行。反帔Rœž®?d¨¡ng)效应测量则由清华大学物理系教授王亚愚负责ã€?/span>

在拓扑绝¾~˜ä½“研究初期åQŒæˆ‘ž®±æ•é”åœ°æ„è¯†åˆŽÍ¼Œæ‹“扑¾lç¼˜ä½“材料的生长动力学与我长期从事的砷化镓研½I¶æœ‰éžå¸¸¾cÖM¼¼çš„地斏V€‚于是，我迅速制定了实验æ–ÒŽ(gu¨©)¡ˆâ€”—按照生长砷化镓的方法进行实验，首先建立èµäh‹“扑绝¾~˜ä½“材料的生长动力学ã€?/span>

我们团队用三四个月的旉™—´åQŒåœ¨å›½é™…上率先徏立了拓扑¾lç¼˜ä½“薄膜的分子束外延生长动力学åQŒå®žçŽ°å¯¹æ ·å“ç”Ÿé•¿˜q‡ç¨‹åœ¨åŽŸå­æ°´òq³ä¸Šçš„ç²¾¼‹®æŽ§åˆÓž¼Œä½¿è–„膜样品的质量很快辑ֈ°å›½é™…领先水åã^。这是最重要的一步，˜qˆå‡ºäº†è¿™ä¸€æ­¥ï¼ŒåŽé¢çš„工作才™åºåˆ©å±•å¼€ã€?/span>

2、量子反帔Rœž®?d¨¡ng)效应所需要实验材料的三个苛刻条äšg全部实现

材料生长动力学机制这一关键问题得以解决åQŒä½†˜q™åƈ不意味着接下来的工作ž®±æ˜¯ä¸€ç‰‡å¦é€”。毫不例外的åQŒå®žçŽ°é‡å­åå¸”Rœž®?d¨¡ng)效应所需的三个苛åˆÀL¡ä»¶å¸¦æ¥çš„¿Uç§éšùN¢˜åQŒæˆ‘们也都遇åˆîCº†ã€?/span>

比如即ä‹É是高质量的拓扑绝¾~˜ä½“薄膜åQŒä¹Ÿå¾ˆéš¾åšåˆ°çœŸæ­£¾lç¼˜åQ›å¦å¤–在拓扑¾lç¼˜ä½“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å…Þq”Ÿé•¿å’Œ‹¹‹é‡äº†è¶…˜q?000个样品，òq‰™€šè¿‡ä¸€‹Æ¡æ¬¡çš„生é•Ñ€æµ‹é‡ã€åé¦ˆã€è°ƒæ•ß_(d¨¢)¼Œäº‰å–每一步都做到极致ã€?/span>

2010òqß_(d¨¢)¼Œæˆ‘们完成了对1¾U³ç±³åˆ?¾U³ç±³åQˆå¤´å‘丝¾_—细的万分之一åQ‰åŽšåº¦è–„膜的生长和输˜qæµ‹é‡ï¼Œå¾—到了系¾lŸçš„¾l“æžœåQŒä»Žè€Œä‹É得准二维拓扑¾lç¼˜ä½“的制备和输˜qæµ‹é‡æˆä¸ºå¯èƒ½ã€?/span>

2011òqß_(d¨¢)¼Œæˆ‘们实现了对拓扑¾lç¼˜ä½“能带结构的¾_‘Ö¯†è°ƒæŽ§åQŒä‹É其成为真正的¾lç¼˜ä½“，去除了体内电(sh¨´)子对输运性质的媄(ji¨£ng)响ã€?/span>

2011òq´åº•åQŒæˆ‘们在准二¾l´ã€ä½“¾lç¼˜çš„拓扑绝¾~˜ä½“中实çŽîCº†è‡ªå‘长程铁磁性，òq¶åˆ©ç”¨å¤–加栅极电(sh¨´)压对其电(sh¨´)子结构进行了原位¾_‘Ö¯†è°ƒæŽ§ã€?/span>

ž®Þp¿™æ øP¼Œé‡å­åå¸¸éœå°”效应所需要实验材料的三个苛刻条äšg¾lˆäºŽå®žçŽ°äº†ï¼

2012òq?0月的一个晚上，我收到学生的短信åQšåœ¨å®žéªŒä¸­å‘çŽîCº†é‡å­åå¸¸éœå°”效应的迹象！

当晚åQŒæˆ‘立即设计出几套方案，部çÖv好了下一步的实验åQŒç‰¹åˆ«æ˜¯å’Œä¸­¿U‘院物理所吕力研究¾l„合作，ž®†å®žéªŒæŽ¨˜q›åˆ°æŽ¥è¿‘¾lå¯¹é›¶åº¦çš„极低温ã€?/span>

接下来的一ŒD‰|—¶é—´é‡ŒåQŒæ•°æ®ä¸åœåœ°è·›_Š¨ç€åQ?0000ã€?0000ã€?5800åQæ•°æ®åœä½äº†åQææ–™åœ¨é›¶ç£åœÞZ¸­çš„反帔Rœž®?d¨¡ng)ç”?sh¨´)阻达到量子电(sh¨´)é˜Èš„数值åƈ形成一个åã^収ͼŒåŒæ—¶¾Uµå‘ç”?sh¨´)阻急剧降低òq¶è¶‹˜q‘于é›Óž¼Œ˜q™æ˜¯é‡å­åŒ–反帔Rœž®?d¨¡ng)效应的特征性行为！

历史在这一时刻定格åQŒåœ¨¾ŸŽå›½ç‰©ç†å­¦å®¶éœå°”äº?880òq´å‘现反帔Rœž®?d¨¡ng)效å?33òq´åŽåQŒäh¾cȝ»ˆäºŽå®žçŽîCº†å…‰™‡å­åŒ–åQŒè¿™ä¸€æ­¥ç”±æˆ‘们中国人的实验完成åQ?/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ç”?sh¨´)子器äšg中，有望克服包括计算æœø™Š¯ç‰‡ç­‰å¾ˆå¤šç”?sh¨´)子器äšg发热耗能½{‰å¸¦æ¥çš„一¾pÕdˆ—问题åQŒæŽ¨åŠ¨åŠå¯ég½“工业的革命。它的发现或ž®†å¸¦æ¥ä¸‹ä¸€‹Æ¡ä¿¡æ¯æŠ€æœ¯é©å‘½ï¼Œæˆ‘国¿U‘学家äØ“(f¨´)国家争夺了这åœÞZ¿¡æ¯é©å‘½ä¸­çš„战略制高点åQŒè¿™å…¶ä¸­ææ–™å’Œç‰©ç†å­¦åŠŸä¸å¯æ²¡ã€?/span>

材料是工业革命的基础之一。纵观过åŽÕd‘生的几次工业革命åQŒé™¤äº†ç§‘学的˜q›æ­¥åQŒææ–™çš„发展起到了极光™‡è¦çš„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½E‹æ¯æ¯ç›¸å…Ÿë€‚如果有人问åQŒä¸‹ä¸€ä¸ªèƒ½å®šä¹‰äººç±»æ–‡æ˜Ž˜q›æ­¥çš„材料是什么？作äØ“(f¨´)一个科学家åQŒæˆ‘觉得很可能是高温­‘…导材料åQŒç‰¹åˆ«æ˜¯å®¤æ¸©­‘…导材料ã€?/span>

­‘…导现象æ˜?911òq´è·å…°çš„¿U‘学家昂ž®¼æ–¯å‘现的，1913òq´ä»–获得了诺贝尔物理学奖。当温度降低æ—Óž¼Œ¾lå¤§éƒ¨åˆ†é‡‘属材料的电(sh¨´)é˜ÖM¼š(x¨¬)下降åQŒæŽ¥˜q‘绝寚w›¶åº¦çš„时候材料的ç”?sh¨´)阻会(x¨¬)停在一个有限å€ég¸Šã€‚所有的金属材料都这栗÷€‚但是，­‘…导材料表现则不一æ øP¼Œéšç€æ¸©åº¦çš„降低，åˆîCº†­‘…导转变温度æ—Óž¼Œç”?sh¨´)阻会(x¨¬)陡然下降到é›Óž¼Œå½Õdº•æ¶ˆå¤±äº†ã€‚这个现象叫­‘…çñ”导电(sh¨´)性，½Ž€¿U°è¶…对{€?/span>

­‘…导材料另外一个特性是完全抗磁性。由于完全抗¼‚æ€§ï¼Œ­‘…导材料ä¼?x¨¬)æ‚(zh¨¨n)¬‹¹®åœ¨ä¸€ä¸ªç£é“ä¸Šã€‚在­‘…导状态时åQŒææ–™çš„ç”?sh¨´)阻为零åQŒå¦‚果把材料通上甉|µåQŒç”µ(sh¨´)‹¹å°±å¯ä»¥æ°¸è¿œçš„流动下去，材料当然也不ä¼?x¨¬)发热。在当今½C¾ä¼š(x¨¬)åQŒç”µ(sh¨´)的应用无处不在。可以想象，如果人类扑ֈ°äº†åœ¨å®¤æ¸©ä¸‹å°±èƒ½è¶…导的材料åQŒå…¶æ„ä¹‰ž®†æ˜¯éžå¸¸çš„重大，甚至不亚于电(sh¨´)的发明，它一定会(x¨¬)å¯ÆD‡´å·¥ä¸šçš„革命。导致äh¾cÀL–‡æ˜Žçš„巨大˜q›æ­¥ã€‚大安™ƒ½çœ‹è¿‡ç”?sh¨´)åª?ji¨£ng)《阿凡达》，ç”?sh¨´)åª?ji¨£ng)中显½CÞZº†2154òq´æ—¶å¥‡ç‰¹çš„æ?zh¨¨n)¬‹¹®å±±åQŒè¿™ä¸ªæ?zh¨¨n)¬‹¹®å±±ž®±æ˜¯ç”±å®¤æ¸©è¶…导材料构成的。发明的一¿Uææ–™æ˜¯â€œä¸å¯å¾—到的”ã€?/span>

­‘…导的应用很多。大家熟æ‚(zh¨¨n)‰çš„是输ç”üc(di¨£n)€‚输ç”?sh¨´)靠导线åQŒç›®å‰ç”¨äºŽè¾“ç”늚„所有导¾U‰Kƒ½æ˜¯æœ‰ç”?sh¨´)阻的，因此‹¹ªè´¹çš„ç”?sh¨´)能占到输ç”?sh¨´)量ç?%以上。全世界每年因äØ“(f¨´)˜q™ç§è¾“电(sh¨´)¾U¿èµ\损耗有1.5万亿度电(sh¨´)被浪è´ÒŽ(gu¨©)Ž‰ã€‚如果材料没有电(sh¨´)é˜ÖMº†åQŒä»…˜q™ä¸€™å¹å°±ä¼?x¨¬)节省巨大的能源åQŒè¿™ž®†æ˜¯ä¸€ä»‰™žå¸æ€º†ä¸è“v的事情。超å¯ÆD¿˜æœ‰å…¶ä»–应用。以清华大学物理¾pÀL›¹å¿…松教授的工作äØ“(f¨´)例，他们使用­‘…导材料以后åQŒå¯ä»¥ä‹É雯‚¾¾çš„探‹¹‹èŒƒå›´èƒ½å¢žåŠ 200多公里ã€?/span>

但是åQŒè¶…导材料的­‘…导转变温度通常是非å¸æ€½Žçš„。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ç”?sh¨´)子形成电(sh¨´)子对而达到超导状态的åQŒæ¸©åº¦æ•ˆåº”很å®ÒŽ(gu¨©)˜“破坏˜q™ä¸ªä½œç”¨åQŒæŠŠ˜q™äº›ç”?sh¨´)子å¯Ò?gu¨©)‹†æ•£å¼€åQŒè¿™ž®±æ˜¯ä¸ÞZ»€ä¹ˆåªæœ‰åœ¨å¾ˆä½Žçš„温度下材料才能辑ֈ°­‘…导状态的原因。也是因ä¸ø™¿™ä¸ªåŽŸå› ï¼Œå¯ÀL‰¾é«˜æ¸©­‘…导材料åQŒæé«˜è¶…å¯ÆD{变温度一直是物理学一个非帔R‡è¦çš„研究方向。就像我们讲¾læµŽå‘展是硬道理一æ øP¼Œæé«˜ææ–™çš„超å¯ÆD{变温度是高温­‘…导研究的硬道理ã€?/span>

1986òqß_(d¨¢)¼Œç‘žå£«ä¸¤ä¸ª¿U‘学家发çŽîCº†­‘…导转变温度高于77K的高温超导材料ã€?7K是液氮的沸腾温度。这意味着使用ä»äh ¼æ¯”较低廉的液氮就可以使材料没有电(sh¨´)阻，˜q™å¯¹­‘…导的广泛应用意义重大。因ä¸ø™¿™ä¸ªé‡å¤§å‘玎ͼŒ˜q™ä¸¤ä½ç§‘学家½W¬äºŒòqß_(d¨¢)¼ˆ1987òqß_(d¨¢)¼‰(j¨ª)ž®ÞpŽ·å¾—了è¯ø™´ž®?d¨¡ng)物理奖。但是大家在¿U‘学上不理解ä¸ÞZ»€ä¹ˆè¶…å¯ÆDƒ½åœ¨è¿™ä¹ˆé«˜çš„温度下存在。如果理解了åQŒå°±æœ‰å¯èƒ½æ‰¾åˆ°å®¤æ¸©è¶…å¯û|¼Œæ‰€ä»¥å¤§å®‰™ƒ½æƒ›_Ž»ç†è§£å®ƒã€?/span>

现在åQŒè¿‡äº†ä¸‰åå¤šòqß_(d¨¢)¼ŒäºÞZ»¬ä»ç„¶æ²¡æœ‰ç†è§£é«˜æ¸©­‘…导的机理，可以说这是个凝聚态物理学的世¾Uªéš¾é¢˜ã€‚我们的研究团队目前一个重要科学目标，ž®±æ˜¯é«˜æ¸©­‘…导机理。我们把˜q™ä¸ª¿U‘学目标与材料科学研½I¶å¯†åˆ‡ç»“合，像攻克量子反帔Rœž®?d¨¡ng)效应发现的实验一æ øP¼Œæˆ‘们希望通过材料斚w¢çš„突破实现这个重大科学目标。也许这是攀ç™ÀL–°¿U‘学高峰的契机，我们正在牢牢地抓住这个契机，忘我工作ã€?/span>

åQˆä½œè€…：(x¨¬)薛其坤，¾pÀL¸…华大学副校长、中国科学院院士åQ?/span>