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(tuán)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(jìn)信息技術(shù)革命的進(jìn)程。

　　量子反?；魻柆F(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(jì)意義?請聽項目負(fù)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(tuán)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(yùn)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(fù)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(qiáng)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(yùn)動幾乎沒有能量損耗。

　　“使用計算機(jī)時，我們會遇到計算機(jī)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(yùn)動沒有特定軌道，相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。”薛其坤打了一個比方，而量子霍爾效應(yīng)可以對電子的運(yùn)動制定一個規(guī)則，讓它們在各自的跑道上一往無前?！斑@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(jìn)，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(jìn)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?jǐn)?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(qiáng)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(jī)或手機(jī)芯片，將會大大降低電腦、手機(jī)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(qiáng)磁場，而地球的磁場強(qiáng)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?；魻栃?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?；魻栃?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?fù)涞摹薄敖^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(yùn)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)?！鼻迦A大學(xué)物理系主任王亞愚說。

　　幸運(yùn)的是，2006年，一種新型材料——拓?fù)浣^緣體的出現(xiàn)，讓全球物理學(xué)家們看到了希望。

　　“拓?fù)浣^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)?！蓖鮼営藿忉屨f。

　　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?fù)浣^緣體研究帶到了中國。

　　2009年，張首晟團(tuán)隊提出了將Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3摻入3d磁性元素，實現(xiàn)磁性拓?fù)浣^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(rèn)證了該系統(tǒng)乃是磁性拓?fù)浣^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?fù)浣^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?fù)浣^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(tuán)隊開展相關(guān)研究，而薛其坤團(tuán)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(tuán)隊負(fù)責(zé)人展現(xiàn)出一名科學(xué)家應(yīng)有的沉著冷靜——他對團(tuán)隊成員進(jìn)行了合理分工：自己帶隊去研究制作高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體薄膜，王亞愚則負(fù)責(zé)反?；魻栃?yīng)的測量。

　　在拓?fù)浣^緣體研究初期，薛其坤敏銳地意識到，拓?fù)浣^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(jìn)而精確控制材料的質(zhì)量。

　　在團(tuán)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?fù)浣^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?fù)浣^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)反常霍爾效應(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(tuán)隊圍繞磁性拓?fù)浣^緣體材料的研制，開啟了不厭其煩地重復(fù)。

　　團(tuán)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。“順利時，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(tuán)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(yùn)測量研究組的緊密合作。團(tuán)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(xì)節(jié)，并制訂下一步詳盡計劃?！眻F(tuán)隊成員何珂說。

　　功夫不負(fù)有心人。2010年，團(tuán)隊完成了對1納米到6納米厚度薄膜的生長和輸運(yùn)測量，得到了系統(tǒng)的結(jié)果，從而使得準(zhǔn)二維拓?fù)浣^緣體的制備和輸運(yùn)測量成為可能。2011年，團(tuán)隊實現(xiàn)了對拓?fù)浣^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(yùn)性質(zhì)的影響。2011年底，團(tuán)隊在準(zhǔn)二維、體絕緣的拓?fù)浣^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(jìn)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?fù)浣^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(tuán)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?fù)浣^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(tuán)隊人員設(shè)計出幾套方案，部署好下一步實驗。一向嚴(yán)謹(jǐn)?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(rèn)看到的跡象就是量子反常霍爾效應(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(jī)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_(dá)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(tuán)隊克服薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運(yùn)測量等多道難關(guān)，一步步實現(xiàn)了對拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu)、長程鐵磁序以及能帶拓?fù)浣Y(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(dú)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(xiàn)?！毖ζ淅ふf。