微觀世界的運(yùn)行由量子力學(xué)規(guī)律支配，會(huì)顯示出完全不同于宏觀世界的現(xiàn)象。當(dāng)前，能夠在宏觀尺度顯示量子力學(xué)效應(yīng)的量子材料是物理學(xué)、材料科學(xué)、電子學(xué)、量子信息等學(xué)科共同關(guān)注的焦點(diǎn)，有可能會(huì)推動(dòng)材料、信息、能源等技術(shù)的革命性發(fā)展

剛剛落幕的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，由我國(guó)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(duì)完成的“量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)”項(xiàng)目，獲得2018年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

這項(xiàng)研究成果是世界物理學(xué)界近20年來(lái)最重要的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)之一，成果將推動(dòng)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(huì)、經(jīng)濟(jì)意義？請(qǐng)聽(tīng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)副校長(zhǎng)薛其坤怎么說(shuō)。

神秘的霍爾效應(yīng)家族

從1879年美國(guó)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)、反常霍爾效應(yīng)量子化……科學(xué)家一步步揭開(kāi)霍爾效應(yīng)家族神秘面紗

科學(xué)界對(duì)霍爾效應(yīng)家族的研究由來(lái)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(duì)發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)——霍爾效應(yīng)家族不斷增添新成員。今天，我們就來(lái)揭開(kāi)這些成員的神秘面紗。

通常，在普通導(dǎo)體中，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡雜亂無(wú)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(huì)形成沿電場(chǎng)方向的穩(wěn)定電流。

1879年，美國(guó)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(gè)垂直于電流方向的外磁場(chǎng)，那么，導(dǎo)體中的電子由于磁場(chǎng)的作用力，會(huì)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)?；魻栃?yīng)在人類的日常生活中應(yīng)用十分廣泛。比如，信號(hào)傳感器、汽車速度表和里程表、各種用電負(fù)載的電流檢測(cè)及開(kāi)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(chǎng)，也可觀測(cè)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(chǎng)足夠強(qiáng)且溫度足夠低時(shí)，半導(dǎo)體硅中的電子會(huì)在原地打轉(zhuǎn)，而其邊界上會(huì)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(dòng)幾乎沒(méi)有能量損耗。

“使用計(jì)算機(jī)時(shí)，我們會(huì)遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問(wèn)題。這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動(dòng)沒(méi)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€(gè)比方，而量子霍爾效應(yīng)可以對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)制定一個(gè)規(guī)則，讓它們?cè)诟髯缘呐艿郎弦煌鶡o(wú)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(chǎng)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(shuō)。

隨著霍爾效應(yīng)研究進(jìn)入量子化時(shí)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(jiǎng)。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(jiǎng)……

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(chǎng)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(lái)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(jì)算機(jī)或手機(jī)芯片，將會(huì)大大降低電腦、手機(jī)的發(fā)熱和能量耗散問(wèn)題。

可能有人會(huì)問(wèn)，這不意味著一場(chǎng)新的信息革命嗎？沒(méi)錯(cuò)。

但是，霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)量子化，有著兩個(gè)極端苛刻的前提條件：一是需要十幾萬(wàn)高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)，而地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度才不過(guò)0.5高斯；二是需要接近于絕對(duì)零度的溫度。

在此背景下，科學(xué)家們又提出了一個(gè)設(shè)想：普通狀態(tài)下的霍爾現(xiàn)象會(huì)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(chǎng)的先決條件了嗎？

從2008年開(kāi)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(guó)科學(xué)院物理所方忠、戴希等展開(kāi)通力合作，從理論上預(yù)期了實(shí)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(shí)現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)量子化，所需要的實(shí)驗(yàn)材料必須同時(shí)滿足3個(gè)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(guò)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(shí)驗(yàn)之一。因?yàn)?，要?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，所需要的實(shí)驗(yàn)材料必須同時(shí)滿足3個(gè)嚴(yán)苛條件。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是要讓導(dǎo)體同時(shí)實(shí)現(xiàn)“磁性的”“拓?fù)涞摹薄敖^緣的”。而這3個(gè)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(gè)運(yùn)動(dòng)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(shuō)。

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(shuō)。

這種神奇材料的構(gòu)想最初是張首晟與美國(guó)另外兩位科學(xué)家共同提出的。后來(lái)，張首晟通過(guò)與中國(guó)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(guó)。

2009年，張首晟團(tuán)隊(duì)提出了將Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3摻入3d磁性元素，實(shí)現(xiàn)磁性拓?fù)浣^緣體的方案，并做了具體的解析計(jì)算。隨后，張首晟又與方忠、戴希開(kāi)展合作，認(rèn)證了該系統(tǒng)乃是磁性拓?fù)浣^緣體，是實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的理想材料。

這一系列的理論工作，引起了國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的廣泛關(guān)注。從此，一場(chǎng)轟轟烈烈的國(guó)際競(jìng)賽開(kāi)始了。

但是，要想真正在實(shí)驗(yàn)室制作出理想的拓?fù)浣^緣體材料，是一個(gè)世界級(jí)的科學(xué)難題。薛其坤解釋說(shuō)，實(shí)驗(yàn)要求做出高純度的單晶材料，100萬(wàn)個(gè)原子中最多只允許出現(xiàn)一個(gè)雜質(zhì)。而且，實(shí)驗(yàn)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(wàn)分之一毫米）厚，表面凹凸1納米都不行。

當(dāng)時(shí)，國(guó)際上已有多支頂尖團(tuán)隊(duì)開(kāi)展相關(guān)研究，而薛其坤團(tuán)隊(duì)在人員、資金、經(jīng)驗(yàn)方面都不占優(yōu)勢(shì)。在此情況下，薛其坤作為團(tuán)隊(duì)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(duì)團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行了合理分工：自己帶隊(duì)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(cè)量。

在拓?fù)浣^緣體研究初期，薛其坤敏銳地意識(shí)到，拓?fù)浣^緣體材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)與自己長(zhǎng)期從事的砷化鎵研究具有非常類似的地方。材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)是描述如何從一個(gè)個(gè)原子的反應(yīng)最后形成一個(gè)宏觀晶體材料的過(guò)程。因此，只有掌握了材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，才能精確控制材料的生長(zhǎng)，進(jìn)而精確控制材料的質(zhì)量。

在團(tuán)隊(duì)成員共同努力下，僅用了三四個(gè)月，他們就在國(guó)際上率先建立了拓?fù)浣^緣體薄膜的分子束外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品生長(zhǎng)過(guò)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(jiān)實(shí)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(guó)科學(xué)家終于實(shí)現(xiàn)了其量子化——而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果干凈漂亮，數(shù)據(jù)完美得幾乎不可思議

生長(zhǎng)、測(cè)量、反饋、調(diào)整……從2009年開(kāi)始，團(tuán)隊(duì)圍繞磁性拓?fù)浣^緣體材料的研制，開(kāi)啟了不厭其煩地重復(fù)。

團(tuán)隊(duì)成員馬旭村回憶，實(shí)驗(yàn)組總共做了超過(guò)1000次磁性摻雜的樣品測(cè)量。而在生長(zhǎng)階段就失敗而沒(méi)拿去測(cè)量的樣品，根本沒(méi)人統(tǒng)計(jì)過(guò)?！绊樌麜r(shí)，一周能做出5塊樣品；不順利時(shí)，一個(gè)月也做不出來(lái)一塊。”

歷經(jīng)不斷探索和磨合，團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)和輸運(yùn)測(cè)量研究組的緊密合作。團(tuán)隊(duì)成員幾乎每天都通過(guò)郵件和電話交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，每2至3周會(huì)開(kāi)展一次充分討論，分析實(shí)驗(yàn)的所有細(xì)節(jié)，并制訂下一步詳盡計(jì)劃。”團(tuán)隊(duì)成員何珂說(shuō)。

功夫不負(fù)有心人。2010年，團(tuán)隊(duì)完成了對(duì)1納米到6納米厚度薄膜的生長(zhǎng)和輸運(yùn)測(cè)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(cè)量成為可能。2011年，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響。2011年底，團(tuán)隊(duì)在準(zhǔn)二維、體絕緣的拓?fù)浣^緣體中實(shí)現(xiàn)了自發(fā)長(zhǎng)程鐵磁性，并利用外加?xùn)艠O電壓對(duì)其電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精密調(diào)控——至此，量子反常霍爾效應(yīng)所需要的3個(gè)實(shí)驗(yàn)材料苛刻條件終于全部實(shí)現(xiàn)！

從拓?fù)浣^緣體材料生長(zhǎng)初期的成功，再到后期克服實(shí)驗(yàn)中的重重難關(guān)，薛其坤團(tuán)隊(duì)付出了常人難以想象的努力。但實(shí)驗(yàn)最終的成功與否，還要看一個(gè)標(biāo)志性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)——在零磁場(chǎng)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(gè)晚上。薛其坤收到學(xué)生的短信：他們?cè)趯?shí)驗(yàn)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(shí)激動(dòng)的心情。他當(dāng)下組織團(tuán)隊(duì)人員設(shè)計(jì)出幾套方案，部署好下一步實(shí)驗(yàn)。一向嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难ζ淅っ靼?，一次的測(cè)量結(jié)果并不能說(shuō)明問(wèn)題，需要多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。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(qǐng)中國(guó)科學(xué)院物理所的呂力實(shí)驗(yàn)組加入到最后階段的沖刺——他們的稀釋制冷機(jī)可以把實(shí)驗(yàn)溫度降到30mk（比絕對(duì)零度高0.03℃）。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不停跳動(dòng)著，10000、20000、25813！數(shù)據(jù)停住了！材料在零磁場(chǎng)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(gè)平臺(tái)，同時(shí)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(jiàn)證奇跡的時(shí)刻——在美國(guó)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(shí)現(xiàn)了其量子化！而且實(shí)驗(yàn)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(duì)克服薄膜生長(zhǎng)、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運(yùn)測(cè)量等多道難關(guān)，一步步實(shí)現(xiàn)了對(duì)拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)畫上了完美句號(hào)。

“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。量子反常霍爾效應(yīng)是一個(gè)基于全新物理原理的科學(xué)效應(yīng)，是中華人民共和國(guó)成立以來(lái)我國(guó)獨(dú)立觀測(cè)到的不多的科學(xué)效應(yīng)之一，是我國(guó)物理學(xué)工作者對(duì)人類科學(xué)知識(shí)寶庫(kù)的一個(gè)重要貢獻(xiàn)?！毖ζ淅ふf(shuō)。