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　　剛剛落幕的國(guo)(guo)家科(ke)學(xue)(xue)(xue)技(ji)術(shu)獎(jiang)勵大會(hui)上，由我國(guo)(guo)科(ke)學(xue)(xue)(xue)家薛(xue)其坤、王亞愚、何珂、馬(ma)旭村、呂力(li)為代表(biao)的研究團隊完成的“量子反常霍爾效應的實驗(yan)發現(xian)”項目，獲得2018年度國(guo)(guo)家自然科(ke)學(xue)(xue)(xue)獎(jiang)一等(deng)獎(jiang)。

　　這項研究成果是世界(jie)(jie)物理學(xue)(xue)界(jie)(jie)近(jin)20年來最(zui)重要的(de)(de)實驗發(fa)(fa)現之一，成果將推動(dong)新一代(dai)低能(neng)(neng)耗晶體管和(he)電子學(xue)(xue)器(qi)件的(de)(de)發(fa)(fa)展，可能(neng)(neng)加速推進信息(xi)技術革命的(de)(de)進程。

　　量子反常霍爾現象(xiang)因(yin)何能(neng)成為物理學(xue)研(yan)究皇冠上的(de)明珠?它的(de)發現究竟具有怎樣的(de)科學(xue)、社會、經濟意義(yi)?請(qing)聽項目負(fu)責(ze)人(ren)、中國科學(xue)院(yuan)(yuan)院(yuan)(yuan)士、清(qing)華大學(xue)副校長薛(xue)其坤怎么說。

　　神秘的霍爾(er)效應家族

　　從1879年美國(guo)物(wu)理學家霍(huo)爾(er)發現霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)(ying)，到反常霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)(ying)、量(liang)子霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)(ying)、反常霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)(ying)量(liang)子化……科學家一步(bu)步(bu)揭開霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)(ying)家族(zu)神秘面(mian)紗

　　科學(xue)界(jie)對霍爾(er)效(xiao)應(ying)家(jia)族的研究由(you)來已(yi)久。從(cong)140年(nian)前霍爾(er)效(xiao)應(ying)被發(fa)現，到2013年(nian)薛其(qi)坤團隊發(fa)現量(liang)子反常(chang)霍爾(er)效(xiao)應(ying)——霍爾(er)效(xiao)應(ying)家(jia)族不斷增(zeng)添新成員。今天，我們就來揭開這些成員的神秘面紗(sha)。

　　通常，在(zai)(zai)普通導體(ti)中，電子(zi)的運動軌跡雜亂(luan)無章(zhang)，不(bu)斷(duan)發生碰撞。而當在(zai)(zai)導體(ti)兩(liang)端加(jia)上電壓后，電子(zi)就(jiu)會形成沿電場方向的穩定電流。

　　1879年，美國物理(li)學家霍爾(er)(er)發現，如果在(zai)通電(dian)的(de)(de)(de)(de)非磁(ci)性導體上(shang)增加(jia)一個垂(chui)直于(yu)(yu)電(dian)流方向的(de)(de)(de)(de)外磁(ci)場，那么，導體中的(de)(de)(de)(de)電(dian)子由于(yu)(yu)磁(ci)場的(de)(de)(de)(de)作用力，會在(zai)垂(chui)直于(yu)(yu)電(dian)流方向的(de)(de)(de)(de)導體兩端形(xing)成穩定(ding)電(dian)荷積累，這(zhe)就是著(zhu)名的(de)(de)(de)(de)霍爾(er)(er)效應(ying)。霍爾(er)(er)效應(ying)在(zai)人類的(de)(de)(de)(de)日常(chang)生(sheng)活中應(ying)用十分廣泛。比如，信號傳感器、汽車速度(du)表和(he)里程表、各種用電(dian)負載的(de)(de)(de)(de)電(dian)流檢測(ce)及開關，等(deng)等(deng)。

　　1880年到(dao)1881年間，霍(huo)(huo)爾又發(fa)現，在(zai)有磁(ci)性的導體上(shang)，即使不(bu)外加磁(ci)場，也可(ke)觀測到(dao)霍(huo)(huo)爾效應——這便是反常霍(huo)(huo)爾效應。

　　100年后，隨著量子(zi)物理學(xue)的(de)(de)發展(zhan)，以及半導體(ti)(ti)技術日新月異，科學(xue)家(jia)發現，在(zai)(zai)外(wai)磁場足夠強且溫度足夠低(di)時，半導體(ti)(ti)硅中的(de)(de)電子(zi)會在(zai)(zai)原(yuan)地打轉，而其邊(bian)界上會形(xing)成不易(yi)被外(wai)界干擾的(de)(de)、電子(zi)半圓形(xing)跳(tiao)躍的(de)(de)單向(xiang)導電通(tong)道——即量子(zi)霍爾效應。在(zai)(zai)這種效應下，電子(zi)的(de)(de)運動幾乎(hu)沒有(you)能量損(sun)耗。

　　“使用計算(suan)機時，我們會遇到(dao)計算(suan)機發熱(re)、能(neng)量(liang)(liang)損耗、速(su)(su)度變慢等問題。這是因為常態(tai)下芯片中(zhong)的(de)電子運(yun)動沒有特定(ding)軌道，相(xiang)互(hu)碰撞從(cong)而發生(sheng)能(neng)量(liang)(liang)損耗。”薛其(qi)坤(kun)打(da)了一(yi)(yi)個(ge)(ge)比方，而量(liang)(liang)子霍爾(er)效應可以對(dui)電子的(de)運(yun)動制定(ding)一(yi)(yi)個(ge)(ge)規則，讓它們在(zai)(zai)各自的(de)跑(pao)道上(shang)(shang)一(yi)(yi)往(wang)無前。“這就好比一(yi)(yi)輛高速(su)(su)跑(pao)車，常態(tai)下是在(zai)(zai)擁(yong)擠(ji)的(de)農貿市場上(shang)(shang)前進，而在(zai)(zai)量(liang)(liang)子霍爾(er)效應下，可以互(hu)不干擾(rao)地(di)在(zai)(zai)高速(su)(su)路(lu)上(shang)(shang)飛(fei)馳。”薛其(qi)坤(kun)說。

　　隨著霍(huo)(huo)爾效(xiao)應(ying)研究進入量子(zi)化時(shi)代(dai)，重(zhong)大(da)研究成果不斷(duan)涌現。1982年，崔琦和(he)霍(huo)(huo)斯特·施特默發(fa)現了(le)(le)分(fen)數(shu)量子(zi)霍(huo)(huo)爾效(xiao)應(ying)，因此(ci)獲(huo)得了(le)(le)1998年諾(nuo)貝(bei)爾物理(li)學獎。2005年，科(ke)學家(jia)們又發(fa)現了(le)(le)石墨(mo)烯中的半整數(shu)量子(zi)霍(huo)(huo)爾效(xiao)應(ying)，斬獲(huo)2010年的諾(nuo)貝(bei)爾物理(li)學獎……

　　量(liang)(liang)子(zi)霍(huo)爾效應(ying)(ying)之所(suo)以(yi)如(ru)此重要，一(yi)方面由于它(ta)們展現了(le)二維電子(zi)系統在低(di)溫強磁場極端條(tiao)件下的奇妙量(liang)(liang)子(zi)行為;另一(yi)方面這些效應(ying)(ying)可能在未來電子(zi)器(qi)件中發(fa)揮特殊(shu)作(zuo)用，可以(yi)用于制備低(di)能耗的高(gao)速電子(zi)器(qi)件。例(li)如(ru)，如(ru)果(guo)把量(liang)(liang)子(zi)霍(huo)爾效應(ying)(ying)引(yin)入計算機或手機芯片，將(jiang)會大(da)大(da)降(jiang)低(di)電腦、手機的發(fa)熱和能量(liang)(liang)耗散問題。

　　可(ke)能有(you)人(ren)會(hui)問，這不意味著一(yi)場新的信息革命嗎(ma)?沒(mei)錯。

　　但是，霍爾效應實現量子化(hua)，有著(zhu)兩個極端苛刻的前提(ti)條件(jian)：一(yi)是需(xu)要(yao)十幾萬(wan)高斯的強磁場，而地球的磁場強度才不過0.5高斯;二是需(xu)要(yao)接近于絕對(dui)零度的溫度。

　　在此(ci)背景下(xia)，科(ke)學家們(men)又提出(chu)了一個設想：普通狀態下(xia)的(de)霍爾(er)現象會出(chu)現反(fan)常，那么，量子化的(de)霍爾(er)現象是否(fou)也能出(chu)現反(fan)常?如(ru)果有，不是就(jiu)可以解決(jue)外加(jia)高磁(ci)場的(de)先決(jue)條件了嗎?

　　從2008年開(kai)始，以(yi)華(hua)人物(wu)理學家張首晟為(wei)代表(biao)的(de)理論(lun)物(wu)理學家，與(yu)清華(hua)大(da)學的(de)祁曉亮(liang)、劉朝星以(yi)及中國科學院物(wu)理所方忠、戴希等(deng)展開(kai)通力合作，從理論(lun)上預期了實現反常霍爾效應(ying)量(liang)子化的(de)可能(neng)性和(he)可能(neng)的(de)材料體(ti)系(xi)。

　　矛盾的研究

　　要實現反常霍爾效應(ying)量子化，所需要的實驗(yan)材料(liao)必須同時滿足3個(ge)幾(ji)乎相互矛盾的嚴(yan)苛條件，這幾(ji)乎是不可能完成的任務

　　如何讓量(liang)子(zi)霍爾效(xiao)應出(chu)現反常?這是過去30多年(nian)里(li)，凝聚態(tai)物理和材料物理領(ling)域(yu)最具挑戰的(de)實驗之一(yi)。因(yin)為，要實現這一(yi)目標，所(suo)需要的(de)實驗材料必須同時滿足3個嚴苛條件。

　　簡(jian)單(dan)來說(shuo)，就是(shi)要讓導(dao)體同(tong)時實現“磁(ci)(ci)性(xing)的(de)(de)”“拓撲的(de)(de)”“絕緣的(de)(de)”。而這3個條(tiao)件之(zhi)間常常是(shi)相互矛盾的(de)(de)，如(ru)果有(you)磁(ci)(ci)性(xing)，做到絕緣不(bu)容易;相反如(ru)果絕緣，磁(ci)(ci)性(xing)很可(ke)能(neng)就消(xiao)失了。“這就好比一個運動(dong)員，既(ji)要有(you)速度又要有(you)力量還要有(you)技巧，這幾乎是(shi)不(bu)可(ke)能(neng)完成的(de)(de)任務。”清華(hua)大學物理系主(zhu)任王亞愚(yu)說(shuo)。

　　幸運的(de)是，2006年，一種新型(xing)材料——拓(tuo)撲絕緣(yuan)體的(de)出現，讓全球物理學家們看到了希望。

　　“拓撲絕緣(yuan)體(ti)是(shi)一種新型量子材(cai)料(liao)，它的(de)內部(bu)是(shi)絕緣(yuan)的(de)，但在它的(de)邊(bian)界(jie)或表面總(zong)存在導電的(de)邊(bian)緣(yuan)態。”王亞愚解(jie)釋說(shuo)。

　　這種神奇材料(liao)的構(gou)想(xiang)最初是張(zhang)首晟與美國另(ling)外兩位(wei)科學家共同提出的。后來(lai)，張(zhang)首晟通過與中(zhong)國科學院物理所和清華大學的合作(zuo)，把(ba)拓撲(pu)絕緣體研(yan)究帶到了中(zhong)國。

　　2009年，張首(shou)晟團隊提出了(le)將Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3摻入3d磁性(xing)元素，實現磁性(xing)拓撲絕緣體(ti)的方案，并做了(le)具體(ti)的解析計(ji)算(suan)。隨后，張首(shou)晟又與方忠、戴希開(kai)展合作，認(ren)證了(le)該系統乃是磁性(xing)拓撲絕緣體(ti)，是實現量子反常霍爾效應的理想(xiang)材料。

　　這一系列的(de)理論工作，引(yin)起了(le)國內外實驗(yan)物理學家(jia)的(de)廣泛關(guan)注。從此，一場轟轟烈烈的(de)國際(ji)競賽(sai)開始了(le)。

　　但是(shi)(shi)，要(yao)想真正(zheng)在(zai)實(shi)(shi)(shi)驗室制(zhi)作出理想的(de)拓撲絕緣體(ti)(ti)材(cai)料(liao)，是(shi)(shi)一(yi)個世界級的(de)科學難題(ti)。薛其坤解釋說，實(shi)(shi)(shi)驗要(yao)求(qiu)做出高純度的(de)單晶材(cai)料(liao)，100萬個原子中最(zui)多只允許出現一(yi)個雜質。而且，實(shi)(shi)(shi)驗要(yao)求(qiu)做出極其平整的(de)拓撲絕緣體(ti)(ti)，材(cai)料(liao)只能是(shi)(shi)5納米(mi)(1納米(mi)等(deng)于百萬分之(zhi)一(yi)毫米(mi))厚，表面凹凸1納米(mi)都不行(xing)。

　　當時，國際上(shang)已(yi)有多支頂(ding)尖(jian)團(tuan)隊開展相(xiang)關研究，而薛其坤(kun)團(tuan)隊在人員、資金、經驗方面(mian)都不(bu)占優(you)勢(shi)。在此情況下，薛其坤(kun)作為(wei)團(tuan)隊負責人展現出一(yi)名科學家應(ying)有的(de)沉著冷靜——他對團(tuan)隊成(cheng)員進行(xing)了(le)合(he)理分工：自己帶(dai)隊去研究制作高(gao)質量(liang)的(de)拓撲絕緣(yuan)體薄膜，王亞愚則負責反常霍爾效應(ying)的(de)測量(liang)。

　　在拓撲絕(jue)緣體(ti)(ti)研(yan)究初期，薛其坤敏銳地意識到，拓撲絕(jue)緣體(ti)(ti)材(cai)料的(de)(de)生長(chang)動力(li)學與自己長(chang)期從事的(de)(de)砷化(hua)鎵研(yan)究具有(you)非常(chang)類(lei)似的(de)(de)地方。材(cai)料的(de)(de)生長(chang)動力(li)學是(shi)描(miao)述如(ru)何從一個(ge)個(ge)原子的(de)(de)反應最(zui)后(hou)形成一個(ge)宏觀晶體(ti)(ti)材(cai)料的(de)(de)過程。因此，只有(you)掌握了材(cai)料的(de)(de)生長(chang)動力(li)學，才能精確(que)控制材(cai)料的(de)(de)生長(chang)，進而精確(que)控制材(cai)料的(de)(de)質量(liang)。

　　在團隊成(cheng)員共(gong)同(tong)努力下，僅用(yong)了(le)三四(si)個月，他們(men)就在國際上(shang)率先建立(li)了(le)拓撲絕緣體薄膜的(de)分(fen)子束外延生長(chang)動(dong)力學，實現了(le)對樣品生長(chang)過程原(yuan)子水平上(shang)的(de)精確控制。這(zhe)也幫助成(cheng)功研制磁(ci)性(xing)拓撲絕緣體薄膜邁出(chu)了(le)重要堅實的(de)一步。

　　完美的成果

　　在1881年(nian)發現反(fan)常霍爾效應100多年(nian)后，中(zhong)國科(ke)學(xue)家終(zhong)于實現了其量子化——而且實驗結果(guo)干(gan)凈(jing)漂亮(liang)，數(shu)據完美得幾(ji)乎不可思(si)議

　　生長、測量、反饋、調(diao)整……從(cong)2009年開始，團(tuan)隊圍繞磁性拓撲絕緣體(ti)材料的(de)研制(zhi)，開啟了不厭其(qi)煩(fan)地重復。

　　團隊(dui)成員馬旭村回憶(yi)，實驗(yan)組總共做了超過(guo)1000次磁性摻雜的樣(yang)(yang)品測量(liang)。而(er)在生長階段就失敗而(er)沒(mei)拿去測量(liang)的樣(yang)(yang)品，根本沒(mei)人統計(ji)過(guo)。“順利時，一(yi)(yi)周能做出5塊樣(yang)(yang)品;不順利時，一(yi)(yi)個月也做不出來一(yi)(yi)塊。”

　　歷經不斷(duan)探索和磨合，團隊最(zui)終找(zhao)到了一(yi)條合理的技術路線。“這在很大程度上得益于樣品生長和輸運測量研究組(zu)的緊密(mi)合作。團隊成員幾乎每天都通過郵(you)件和電(dian)話交流實驗結(jie)果，每2至(zhi)3周會開展一(yi)次充分討論，分析實驗的所有細(xi)節，并制(zhi)訂下一(yi)步詳盡(jin)計劃。”團隊成員何珂說。

　　功夫不負有心人。2010年，團隊(dui)完成(cheng)了(le)對1納米(mi)到(dao)6納米(mi)厚(hou)度(du)薄(bo)膜的(de)(de)生長和輸(shu)運測量(liang)，得到(dao)了(le)系統的(de)(de)結(jie)果，從而使(shi)得準(zhun)二維拓撲絕(jue)緣體(ti)的(de)(de)制(zhi)備和輸(shu)運測量(liang)成(cheng)為可能。2011年，團隊(dui)實(shi)(shi)現了(le)對拓撲絕(jue)緣體(ti)能帶結(jie)構(gou)的(de)(de)精密調(diao)控，使(shi)其成(cheng)為真(zhen)正的(de)(de)絕(jue)緣體(ti)，去除了(le)體(ti)內電子(zi)對輸(shu)運性(xing)質的(de)(de)影響。2011年底，團隊(dui)在(zai)準(zhun)二維、體(ti)絕(jue)緣的(de)(de)拓撲絕(jue)緣體(ti)中實(shi)(shi)現了(le)自發(fa)長程鐵磁性(xing)，并利用外加柵(zha)極(ji)電壓對其電子(zi)結(jie)構(gou)進(jin)行了(le)精密調(diao)控——至此(ci)，量(liang)子(zi)反常霍爾效應所需要的(de)(de)3個實(shi)(shi)驗(yan)材(cai)料苛刻條件(jian)終(zhong)于(yu)全(quan)部實(shi)(shi)現!

　　從拓撲絕(jue)(jue)緣體材料生(sheng)長初期的(de)成(cheng)功，再到后(hou)期克(ke)服實驗中的(de)重重難關，薛其坤(kun)團隊付出了(le)常人(ren)難以想象(xiang)的(de)努力。但實驗最終的(de)成(cheng)功與否(fou)，還要(yao)看一個(ge)標(biao)志性實驗數(shu)據(ju)——在零磁(ci)場中，能否(fou)讓磁(ci)性拓撲絕(jue)(jue)緣體材料的(de)霍爾(er)電阻跳(tiao)變到25813歐姆的(de)量(liang)子電阻值。

　　奇跡(ji)出(chu)現(xian)在(zai)2012年(nian)10月(yue)的一個晚上。薛其坤收到(dao)學生的短(duan)信：他們在(zai)實(shi)驗(yan)中發現(xian)了(le)量子反常(chang)霍爾效(xiao)應的跡(ji)象(xiang)!

　　至(zhi)今(jin)，薛(xue)其坤仍然清晰記(ji)得當時激動的(de)(de)(de)心(xin)情。他當下(xia)(xia)組織團隊人員設計出幾套方案，部署好下(xia)(xia)一(yi)步(bu)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)。一(yi)向嚴謹的(de)(de)(de)薛(xue)其坤明(ming)白，一(yi)次的(de)(de)(de)測量(liang)結果并(bing)不能說(shuo)明(ming)問題(ti)，需要多次重復實(shi)(shi)驗(yan)(yan)。為(wei)確認看到(dao)的(de)(de)(de)跡象(xiang)就(jiu)是量(liang)子反(fan)常霍爾效應，薛(xue)其坤邀請中國科學院物理所的(de)(de)(de)呂力實(shi)(shi)驗(yan)(yan)組加入到(dao)最后(hou)階段的(de)(de)(de)沖刺——他們的(de)(de)(de)稀(xi)釋制(zhi)冷機可以把(ba)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)溫度(du)降(jiang)到(dao)30mk(比絕對零(ling)度(du)高0.03℃)。

　　實(shi)驗數(shu)據不停跳動著，10000、20000、25813!數(shu)據停住了!材料在零磁場中的(de)(de)反常霍爾電(dian)阻(zu)達到量子電(dian)阻(zu)(h/e2~25813歐姆)的(de)(de)數(shu)值并(bing)(bing)形成一個平臺(tai)，同時縱向電(dian)阻(zu)急劇降低并(bing)(bing)趨近(jin)于(yu)零，這是量子反常霍爾效應的(de)(de)特征性行為。

　　這是見證奇跡的時(shi)刻——在美(mei)國物理(li)學家(jia)于(yu)1881年(nian)(nian)發現反常霍爾效應100多年(nian)(nian)后，人類終于(yu)實現了(le)其量子(zi)化!而且實驗結果如此干凈漂亮，數(shu)據(ju)完美(mei)得幾乎不可思議(yi)。

　　4年多艱苦卓絕(jue)的(de)協同攻關(guan)，薛(xue)其(qi)坤團隊克服薄膜生長、磁(ci)性摻雜、門電壓控制、低(di)溫輸運測量等多道(dao)難關(guan)，一步(bu)步(bu)實(shi)現(xian)了(le)對拓撲絕(jue)緣體的(de)電子結構(gou)、長程鐵磁(ci)序以及能帶拓撲結構(gou)的(de)精密(mi)調(diao)控，最終為這一物(wu)理現(xian)象的(de)實(shi)現(xian)畫上了(le)完(wan)美句號。

　　“建立新(xin)的(de)科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)理論、發現新(xin)的(de)科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)效(xiao)應(ying)和科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)規律是(shi)基礎研(yan)究皇(huang)冠上的(de)明珠(zhu)。量子反常霍爾效(xiao)應(ying)是(shi)一個(ge)基于全新(xin)物(wu)理原理的(de)科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)效(xiao)應(ying)，是(shi)中華人(ren)民(min)共和國(guo)成立以來(lai)我國(guo)獨立觀(guan)測到的(de)不多的(de)科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)效(xiao)應(ying)之一，是(shi)我國(guo)物(wu)理學(xue)(xue)(xue)工作者對人(ren)類科(ke)(ke)學(xue)(xue)(xue)知識寶庫(ku)的(de)一個(ge)重要貢獻。”薛其坤說。