小小量子里的大乾坤

陳冰

薛其坤帶領的團隊在國際上首次實驗發現了量子反常霍爾效應。

2020年，對于中國科學院院士、南方科技大學校長、北京量子信息科學研究院院長薛其坤而言，非常特別。

年初，他獲得了2020年度菲列茲·倫敦獎。菲列茲·倫敦獎是國際公認的低溫物理領域最高獎，薛其坤也是國內首個、亞洲第二個獲得此項榮譽的科學家。

9月，北京市人民政府授予薛其坤北京市科學技術獎最高獎——突出貢獻中關村獎。

年末，薛其坤與英國的邁克爾·貝里、美國的查爾斯·凱恩一同獲得了第五屆“復旦-中植科學獎”，獲獎當日，他履新南方科技大學校長不到一個月。

此前，與量子霍爾效應相關的數項研究斬獲了諾貝爾獎——整數量子霍爾效應、分數量子霍爾效應、石墨烯半整數量子霍爾效應……但是，在量子霍爾效應家族里，最后一個神秘成員“量子反常霍爾效應”——不需要外加磁場的量子霍爾效應，遲遲沒有被人發現。

薛其坤之所以能斬獲這些大獎，是因為他帶領的團隊在國際上首次實驗發現了量子反常霍爾效應。

什么是量子反常霍爾效應？它的發現有什么重大意義？薛其坤院士接受《新民周刊》獨家專訪，娓娓道來。

2019年12月23日，中科院院士薛其坤攜清華大學量子反常霍爾效應研究團隊，將自主研發的8件關鍵性科學儀器實物捐贈給國家博物館。這是量子反常霍爾效應測量用的低溫樣品架和樣品。

電子運動的“交通規則”

在認識量子反常霍爾效應之前，讓我們先來了解一下量子霍爾效應。

量子霍爾效應，于1980年被德國科學家馮·克里青發現，是整個凝聚態物理領域中重要、最基本的量子效應之一。舉個簡單的例子：我們使用計算機的時候，會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態下芯片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發生能量損耗。而量子霍爾效應則可以對電子的運動制定一個規則，讓它們在各自的跑道上“一往無前”地前進。

然而，量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場，“能產生這個強磁場的設備比人還高，不但體積龐大，而且價格昂貴，不適合個人電腦和便攜式計算機。”薛其坤說，量子反常霍爾效應的美妙之處是不需要任何外加磁場，在零磁場中就可以實現量子霍爾態，人類有可能利用其無耗散的邊緣態發展新一代的低能耗晶體管和電子學器件，從而解決電腦和很多電子器件發熱問題的瓶頸問題。

自1988年開始，就不斷有理論物理學家提出各種方案，然而在實驗上沒有取得任何進展。

實驗中做到量子反常霍爾效應的測量為什么難度極大？薛其坤打了個比方：“把材料在5納米的嚴格厚度上均勻到1毫米，才能實現對其的測量，這就相當于做一張學校操場那么大的A4紙。”

2005年左右，包括中國華人物理學家張首晟教授在內的科學家，在理論上預言了一種叫做拓撲絕緣體的新的材料（內部絕緣、表面導電的材料），在其中引入磁性就可以實現量子反常霍爾效應，擅長于材料科學研究和實驗物理的薛其坤敏銳地捕捉到這一信息，帶領團隊尋找制作拓撲絕緣體——制備出一種像石墨烯那樣，一層一層平整的納米材料。

在研究了國際同行的常規技術路線后，他們主動放棄，另辟蹊徑，在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的分子束外延生長動力學，在原子水平上實現了對拓撲絕緣體薄膜樣品生長過程的精確控制，薄膜只有幾個納米厚，肉眼幾乎看不到這種材料的存在。制作這種拓撲絕緣體薄膜，需要將幾種元素用一種叫“分子束外延”的方法一層一層生長起來。幾種原子如何配比，結構如何搭建，都十分復雜精妙。

整整4年時間里，薛其坤的研究團隊生長和測量了超過1000個樣品，每一個樣品的實驗一般需要3-4天。一次次的生長、測量，一次次的挫折、調整，再生長、再測量……把實驗的每一步、每一個細節都力爭做到極致，把實驗技術發揮到極限。他們幾個月甚至更長時間才能克服一個困難，向目標推進一小步。

薛其坤的很多學生曾經較勁：“想趁著自己年輕，和薛老師比一比，看誰先到實驗室，誰最后一個離開”，但多年來幾乎沒人能贏。這是一種近乎苦行的“修煉”，但薛其坤卻體會到的是快樂而非痛苦。

功夫不負有心人，就是在經歷了這種頑強堅持和追求極致的過程，最終找到最佳的元素搭配與結構。2012年10月12日晚，薛其坤團隊在制備的磁性拓撲絕緣體樣品測試中首次發現了量子反常霍爾效應的跡象，經過兩個月的奮戰，獲得了完整的實驗數據證明了量子霍爾效應的存在。2013年3月15日該工作發表于《科學》，引起了國際轟動。這是量子霍爾效應家族里最后一個有待發現的重要成員，也是近年來國際物理學界由中國科學家以無與倫比的精巧實驗和近乎完美的實驗數據完成的重大科學成果。

用薛其坤的話來說，量子反常霍爾效應的實驗操作挑戰很大。從材料的角度來看，需要制備出有磁性的、拓撲的、絕緣的超薄膜。“對于一個二維體系，一般的研究生就可以知道，這三種性質往往是互相矛盾的。比如磁性和絕緣往往是矛盾的，我們熟知的磁性材料鐵、鈷、鎳是非常好的導體，一點都不絕緣;絕緣體如我們熟知的陶瓷、玻璃等又沒有磁性。如果需要把絕緣體變得有磁性，只能在玻璃的制造過程中加入很多的鐵、鈷、鎳，加少了仍然是絕緣的，沒有磁性，加多了變得有磁性后，它們也往往變得導電了。

“拓撲和磁性也是矛盾的，鐵是一個輕元素，然而要有拓撲性需要用重元素，摻雜了鐵、鈷、鎳，有磁性了以后，拓撲的效應，也就是自旋軌道耦合就會變弱。所以需要制備一種三不像的材料，就好像要求一個運動員既像姚明那么高能打籃球，還要像劉翔那樣跑得快，還要像溜冰運動員一樣伶俐。四項全能運動員很好找，但他們每一項都不是最高水平。而我們要找的是每一個特點都要和最好的材料可比擬的三不像材料。”

薛其坤說，團隊的科學目標非常清楚：實現沒有磁場的量子霍爾效應，也就是在沒有磁場的情況下測到霍爾電阻值等于h/e2，即25812.807419歐姆的電阻。“在2010年到2011年間，我們制備出了磁性拓撲絕緣體薄膜，但測到的霍爾電阻幾乎是零，導電性非常好;在不斷的努力和堅持下，發現一個問題解決一個問題，霍爾電阻跳到幾百歐姆;又是半年多的堅持，重復實驗，改進條件等等;又發現了一個問題，然后電阻又增加了一點，又實現了一點點進步，終于在2012年的12月份看到了沒有磁場的情況下霍爾電阻達到了25812歐姆左右，意味著量子反常霍爾的實驗發現。”

從1879年美國物理學家霍爾提出霍爾效應，到1988年鄧肯·霍爾丹預言量子反常霍爾效應，再到薛其坤在實驗上發現這一現象，數代物理學家前后共耗費了100多年的時間。“科學就是在一點一滴的進步中實現超越”。

“量子反常霍爾效應”是中國科學家發現且能寫進物理教科書的工作。在過去相當長的一段時間里，被收入教科書的基礎科學領域的突破往往源自其他國家科學家的新發現。所以，諾貝爾獎獲得者物理學家楊振寧評價薛其坤的成果：“這讓我想起很多年前接到物理學家吳健雄的電話，第一次告訴我在實驗室做出了宇稱不守恒的實驗，這個發現震驚了世界。今天薛其坤及其團隊做出的實驗成果，是物理學領域最近幾年一個重大的成果，這不僅是科學界的喜事，也是整個國家的喜事。”

實驗利器：針尖

在接受《新民周刊》采訪時，薛其坤特別提到自己的兩位導師——中科院的陸華教授與日本東北大學的櫻井利夫教授。

“1988年開始，我在陸華門下做研究生，開始就一直在學習、發展實驗技術。”

薛其坤指出，進入到微觀世界不能缺少觀察微觀世界的眼睛。而掃描隧道顯微鏡，就是三種能實現原子分辨率的科學儀器之一。掃描隧道顯微鏡用的探針是非常尖銳的金屬針尖，金屬針尖是另一個實驗技術——場離子顯微鏡的樣品。

除了科學家在量子科技領域開疆拓土之外，量子技術要真正給人類帶來福祉，還需要更多創新創業者、企業家、投資人的加入。

場離子顯微鏡是1951年賓州大學物理系的教授埃爾文·穆勒（Erwin Mueller）發現的，在一個非常尖銳的金屬針尖上面加一個非常高的電壓，導致的強電場能把惰性氣體離化，通過電場驅動投影到一個屏幕上，可以直接在實空間看到原子。“我在物理所學習場離子顯微鏡技術，最重要的是學會了怎么做針尖，制備了幾千個針尖。隨便給我一個金屬絲，我能做出非常理想的針尖來，用它來做場離子顯微鏡實驗。”

薛其坤院士在實驗室。

后來，薛其坤拜師櫻井利夫教授門下。而櫻井利夫恰好是埃爾文·穆勒的關門弟子。“我開始學習使用掃描隧道顯微鏡。掃描隧道顯微鏡實驗需要自己制備針尖，我在當時的實驗室別的方面水平不行，但是在制備針尖方面是水平最高的學生。有一個韓國的學生，花了一天沒制備出來，我幫他20分鐘做出來以后，他還請我吃了一頓飯。”

薛其坤說，陸華導師教會了他怎么做針尖，櫻井利夫教會了他用針尖作為探針怎么做好掃描隧道顯微鏡實驗。在日本期間，他還掌握了分子束外延技術。利用分子束外延，人們可以把薄膜生長控制到單原子層水平。把這兩個儀器結合在一起就是他在日本工作時學到的技術。2000年回國以后，薛其坤想著能不能在分子束外延和掃描隧道顯微鏡的基礎上再加一個技術，這樣就可以在原子尺度上控制材料、觀察材料，通過觀察和生長以及它們之間的反饋，能夠在原子尺度上控制材料的性質。

“材料的性質怎么表征？靠角分辨光電子能譜。我們在物理所實現了三種高精尖實驗技術在超高真空下的聯合。聯合系統的操作是非常有挑戰性的，因為你掌握一個實驗技術是很難的，掌握兩個更難，掌握三個而且一年到頭讓它一直順利工作，這是非常有挑戰性的。這個idea很好，卻給學生制造了每天學習生活的極大困難。”

“制備針尖只是一項小小的實驗技術，但短時間內如能做出高質量的針尖，不僅意味著實驗做得更快，數據也更好。”薛其坤感慨，在科研的道路上，真可謂“不積跬步，無以至千里”。從本質上說，物理學是一項實驗科學，大部分科學發現首先源自在實驗上取得突破。這些突破往往是建立在點點滴滴努力之上。

在薛其坤看來，物理學科發展至今，要在理論層取得重大突破已比較困難，而實驗層面的突破則越來越依賴于實驗儀器設備的發展。

“就物理學而言，要繼續探索自然的奧秘，必須利用高精尖的儀器設備，把這個世界‘看得更細、聽得更遠，才可能有新發現。要知道，在牛頓年代，看到蘋果落地就可以提出新的理論，而如今基本不可能出現。”薛其坤認為，這也是為什么對現代科學發展來說，精密儀器設備等技術發展顯得越來越重要的原因。

量子大乾坤

量子霍爾效應，對普通人來說，拗口而晦澀。但在物理學家眼中，它神奇又美妙，是一座科學“富礦”，讓一代又一代科學家為之著迷和獻身。

量子反常霍爾效應解決了不用外磁場就能解決電子碰撞發熱的問題。采用這種效應設計集成電路和元器件，有望克服目前計算機發熱耗能等帶來的一系列問題！

薛其坤指出，量子力學已經建立了100多年，是人類探究微觀世界的重大成果，是關于微觀物質世界運動規律的理論體系，與相對論一起構成現代物理學的理論基礎。

量子力學的發展，觸發了第一次量子技術革命。第一次量子技術革命，是從認識量子世界、發現量子效應到發展量子技術應用。信息時代的關鍵核心技術，如晶體管、激光、硬盤、GPS等是第一代量子技術的成果。

目前我們已經進入第二次量子技術革命時代，是通過主動人工設計和操控量子系統來發展量子技術和應用。量子計算能顛覆性提高信息運算處理速度，量子通信會大幅度提升通信安全性，量子精密測量和傳感技術會在未來數字時代和萬物互聯時代有著廣泛的應用。量子科技發展具有重大科學意義和戰略價值，是一項對傳統技術體系產生沖擊、進行重構的重大顛覆性技術創新，將引領新一輪科技革命和產業變革方向。“除了科學家在量子科技領域開疆拓土之外，量子技術要真正給人類帶來福祉，還需要更多創新創業者、企業家、投資人的加入。”薛其坤說。