中國實驗室產(chǎn)生的“諾獎級成果”

陳芳 胡喆 荊淮僑

從中國實驗室里，繼鐵基超導、多光子糾纏、中微子振蕩后，我國物理學再獲突破性進展。1月8日，由清華大學教授、中國科學院院士薛其坤領(lǐng)銜的清華大學和中科院物理所實驗團隊在量子反常霍爾效應(yīng)取得的突破性成果，獲得2018年度國家自然科學獎一等獎。

全球首次發(fā)現(xiàn)：中國實驗室里產(chǎn)生的世界級基礎(chǔ)研究原創(chuàng)成果

“量子反常霍爾效應(yīng)”——當?shù)谝淮温犝f這個名字，許多人都會一頭霧水。然而，走進這座自由王國，人們會發(fā)現(xiàn)一棟截然不同的摩天大樓。因為薛其坤團隊的發(fā)現(xiàn)，中國標注了這座大樓的新高度。

微觀世界的運行由量子力學規(guī)律支配，會顯示完全不同于宏觀世界的現(xiàn)象。霍爾效應(yīng)是一種常見的電磁現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于磁傳感器和半導體工業(yè)。那么當量子反常霍爾效應(yīng)出現(xiàn)，會產(chǎn)生怎樣的神奇？

科學家們認為，量子反常霍爾效應(yīng)的最美妙之處是“不需要任何外加磁場就可以實現(xiàn)電子的量子霍爾態(tài)”。因此，這項研究成果將會推動新一代的低能耗晶體管和電子學器件的發(fā)展，可能加速推進信息技術(shù)革命的進程。

據(jù)介紹，量子反常霍爾效應(yīng)，可以改變電子的運動軌跡，使其像在高速公路上行駛的汽車一樣有序，減少了中間阻礙，降低了電子運動中的能量損耗。

這一發(fā)現(xiàn)經(jīng)轉(zhuǎn)化應(yīng)用，對普通大眾來說，最直接的影響就是有可能會解決手機或電腦發(fā)熱、耗電快、運行慢等問題。

自1988年美國物理學家提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng)以來，不斷有物理學家發(fā)表各種方案，但在實驗上并沒有取得任何實質(zhì)性進展。

2008年，薛其坤率領(lǐng)團隊開始進入這一領(lǐng)域，經(jīng)過四年研究，終于在世界范圍內(nèi)首次觀測到量子反常霍爾效應(yīng)。

這是世界物理學界近年來最重要的實驗進展之一，引領(lǐng)了國際學術(shù)方向。這一發(fā)現(xiàn)的論文在美國《科學》雜志發(fā)表后，諾貝爾獎獲得者楊振寧稱：“這是從中國實驗室里，第一次發(fā)表出了諾貝爾獎級的物理學論文！”

創(chuàng)新實驗方法：學術(shù)道路前行每一步都有意義

從沂蒙山區(qū)走出來的薛其坤，個子不高、鄉(xiāng)音濃濃，樸實而風趣。奮斗與執(zhí)著，是他和團隊成員王亞愚、何珂、馬旭村、呂力等在科學之路上的人生信條。

薛其坤研究團隊長期以來結(jié)合分子束外延生長、極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡、角分辨光電子能譜技術(shù)，在表面、界面、低維物理學領(lǐng)域做出了國際一流的工作。

2008年，薛其坤研究團隊抓住拓撲絕緣體這個新領(lǐng)域興起的契機，在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的生長動力學機制，利用分子束外延生長出國際最高質(zhì)量的樣品。所提出的生長方法現(xiàn)已成為國際上通用的拓撲絕緣體樣品制備方法。

在此基礎(chǔ)上，他們利用掃描隧道顯微鏡揭示出拓撲絕緣體表面態(tài)的拓撲保護性和朗道量子化等獨特性質(zhì)。該研究團隊與國內(nèi)相關(guān)科學家的努力使得中國在拓撲絕緣體領(lǐng)域研究中處于國際領(lǐng)先行列。

“這是過去二十多年來凝聚態(tài)物理和材料物理領(lǐng)域，最具挑戰(zhàn)性的實驗之一。”薛其坤坦言，實驗的難度在于目標的不確定性，“我們所要實現(xiàn)的材料就像一個人既需要短跑運動員的速度、又要有舉重運動員的力量、更要有花樣滑冰運動員的技巧”。

“我們的實驗結(jié)果得到了科學界的重復驗證，量子反常霍爾效應(yīng)的實驗經(jīng)受住了歷史的考驗。”薛其坤說，“想在科學原創(chuàng)上發(fā)現(xiàn)別人看不到、發(fā)現(xiàn)不了的東西，肯定你的眼睛要更亮，你使用的儀器工具分辨率、靈敏度必須要更高。”

量子反常霍爾效應(yīng)和高溫超導是物理學界最熱門的兩個課題。

薛其坤已經(jīng)完成了前者，下一步將朝著后者進發(fā)。他坦言這是一次嶄新的嘗試：“在學術(shù)的道路上，前行的每一步都有意義，這就是科學的魅力。”

理解“物理之美”：中國基礎(chǔ)科研正處“黃金時代”

科學探索就是無數(shù)次接近真理的過程。現(xiàn)在的薛其坤，越來越深刻地理解了“物理之美”。他認為，自己的生活每天就是回答為什么，探尋謎底的過程讓他樂此不疲。

“我們的成果與改革開放40年來取得的成就密不可分。”薛其坤說，量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是改革開放40年間我國在基礎(chǔ)研究上的一個重大成果，日益強大的國力、良好完善的科技政策、科學系統(tǒng)的科技規(guī)劃、催人奮進的創(chuàng)新氛圍是基礎(chǔ)和保障。

發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)團隊的五位主要完成人，平均年齡48歲，他們瞄準同一重大科學目標，各有所長但相對獨立，單元科研團隊的成員間形成了高效合作，其深度和持久性在國內(nèi)外也不多見。

人類的生命稍縱即逝，物質(zhì)也會隨著時間湮滅，唯有不朽的知識閃耀在歷史的長河里。團隊成員們表示：“中國的基礎(chǔ)科研正處在一個黃金時代，能成為這個時代的奮斗者，倍感幸福。”

薛其坤認為，必須讓創(chuàng)新人才坐得住冷板凳、耐得住寂寞，在基礎(chǔ)研究、原始創(chuàng)新上不斷突破，夯實國家核心競爭力的基石。

“我們是黨和國家培養(yǎng)起來的科學家。新時代為我們提供了更好的機遇，我們定要不負使命、努力奮斗，為國家強大、人民幸福和科學探索不斷做出新的貢獻。”薛其坤和他的同事們壯志滿懷。