發現量子反常霍爾效應為人類科學知識寶庫貢獻璀璨明珠

2019年1月8日召開的國家科學技術獎勵大會上，中國科學院院士、清華大學副校長薛其坤領銜，由清華大學和中科院物理所實驗團隊完成的“量子反常霍爾效應的實驗發現”摘得2018年度國家自然科學獎一等獎。

量子反常霍爾效應的首次實驗發現，是世界物理學界近幾年最重要的實驗進展之一。諾貝爾獎獲得者楊振寧評價其為“第一次從中國實驗室里發表的諾貝爾獎級的物理學論文”。

巨大的實驗挑戰成就非凡的意義

量子霍爾效應是現代物理學的重要研究領域，與其相關的研究發現曾四次摘得諾貝爾獎。與宏觀世界不同，微觀世界的運行由量子力學規律支配。能夠在宏觀尺度顯示量子力學效應的量子材料讓科學家們夢寐以求。然而，從真實材料中發現量子反常霍爾效應，在實驗上一直沒有取得任何進展。薛其坤說，要觀察到量子反常霍爾效應，需要材料的性質同時滿足三個苛刻條件：絕緣的、拓撲的、磁性的。但在實際材料中，實現以上任何一點都具有相當大難度，更別說同時滿足三點。“就如同要求一個人同時具有短跑運動員的速度、籃球運動員的高度、體操運動員的靈巧一樣。”用薛其坤的話說，這是一個“自相矛盾”的要求。幸運的是，2008年，薛其坤團隊抓住拓撲絕緣體這個新領域的契機，在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的生長動力學機制，并利用掃描隧道顯微鏡揭示出拓撲絕緣體表面態的拓撲保護性和朗道量子化獨特性質。

2009年，薛其坤領導的實驗團隊對量子反常霍爾效應的實驗進行攻關。2012年底，團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。在美國物理學家霍爾于1880年發現反常霍爾效應133年后，終于實現了反常霍爾效應的量子化。為了實現這一基礎科學領域的重大突破，薛其坤和他的團隊花了整整4年時間。薛其坤形象地說，量子反應的量子化的發現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。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展，解決電腦發熱、能量耗損等問題。對普通大眾來說，最直接的影響就是有可能擺脫手機或電腦發熱、耗電快、運行慢等困擾。

團隊合作只為攻克一個不確定目標

重大實驗發現是對人類智慧的一個巨大挑戰，這對研究團隊的科研素養和積累，以及實驗技術水平的要求都非常高。量子反常霍爾效應的發現是團隊精誠合作，聯合攻關的共同成果，是中國科學家的集體榮譽。薛其坤自豪地說大家為了一個共同的不確定的目標，從單兵作戰走到了一起。“瞄準同一重大科學目標，不同擅長但相對獨立的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外也不多見。”

自2009年起，在薛其坤帶領下，這支團隊在近4年的時間里，生長和測量了超過1 000個樣品。現在，這個誕生于中國本土的優秀科研團隊仍然在為量子反常霍爾效應的應用前景奮斗著。薛其坤表示，任何一個現象從原理性的發現走到應用，都需要不同領域科學家和工業界的共同努力，他和團隊愿意與更多人合作，努力將這個領域發揚光大，不斷推動它向應用方向發展。

做基礎研究離不開強大的國家支持

談到從事這個項目最大的挑戰，薛其坤認為并非來自技術層面，而是目標的不確定性。“也不知道沿著這條路走下去到底對不對。”展開實驗的4年里，團隊成員通過一次次的生長、測量、反饋、調整，爭取每一步都做到極致。背后支撐實驗一步一個腳印走下去的是精密的試驗系統，這是實驗水平和科研能力的集中彰顯。薛其坤團隊的實驗室位于清華大學一棟普通實驗樓內，踏入實驗室，映入眼簾的是密密麻麻擺放著的科研儀器，其中有五套精密實驗系統在世界范圍內絕無僅有，這些儀器成就了實驗技術的最好水平。為保障薛其坤團隊的研究開展，清華大學通過各種途徑創造最優工作環境。“這在很大程度上得益于最近20年中國對基礎研究的重視和大力投入。

“薛其坤說。量子反常霍爾效應的發現，堪稱我國在基礎研究上的一個重大成果。薛其坤認為，日益強大的國力、良好完善的科技政策、科學系統的科技規劃、催人奮進的創新氛圍是基礎和保障。建立新的科學理論、發現新的科學效應和科學規律是基礎研究皇冠上的明珠。摘取這顆明珠，一直是薛其坤團隊科研道路上的動力與使命。量子反常霍爾效應的發現，就是薛其坤團隊為人類科學知識寶庫貢獻的一顆璀璨明珠。“為人類發展和科學進步做貢獻，同樣是一個國家強大的標志。”薛其坤說，“科學技術應用無國界，中國科學家應該為人類命運共同體的建造，為世界科學的進步貢獻自己的力量。”