1月8日上午,，人民大會堂,。清華大學(xué)副校長,、物理系薛其坤院士走上主席臺,，接過了國家自然科學(xué)一等獎的獲獎證書,。獲獎項(xiàng)目的名稱是“量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)”,，而此時(shí),，距離2013年他所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)并將成果發(fā)布在《科學(xué)》（Science）雜志上，已經(jīng)過去近6年的時(shí)間,。10多年來,，他們的科研生涯與量子反常霍爾效應(yīng)結(jié)下了不解之緣,。
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緣起
25813歐姆，是量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的標(biāo)志,。在零磁場下,，當(dāng)霍爾電阻跳變到約25813歐姆的量子電阻平臺時(shí)，這種量子現(xiàn)象就稱為量子反?；魻栃?yīng),。130多年前，美國物理學(xué)家霍爾先后發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)和反?；魻栃?yīng),，如今汽車?yán)锏暮芏鄠鞲衅鞫蓟诨魻栃?yīng)。量子霍爾效應(yīng)在凝聚態(tài)物理中占據(jù)著極其重要的地位,，整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎,。量子反常霍爾效應(yīng)由于其存在不需要外加磁場,，因此比此前發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)在應(yīng)用方面要方便得多,，從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng),，成為凝聚態(tài)物理學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)和科學(xué)難題,。
突破的契機(jī)出現(xiàn)于2006年，美國斯坦福大學(xué)教授,、清華大學(xué)高等研究院特聘教授張首晟領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)成功地預(yù)言了一類叫拓?fù)浣^緣體的材料,，并在2008年與清華大學(xué)、中科院物理所的合作伙伴們一起提出了在拓?fù)浣^緣體中引入磁性將有可能實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的理論,。
凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)一直是薛其坤的研究領(lǐng)域。拓?fù)浣^緣體是一種神奇的材料,，它的神奇之處在于內(nèi)部絕緣,，表面卻可以導(dǎo)電。2008年10月15日,，薛其坤在課題組例行組會上聽到博士生李耀義在文獻(xiàn)交流時(shí)介紹了拓?fù)浣^緣體的概念以及相關(guān)研究成果,。與學(xué)生們進(jìn)一步討論后，薛其坤決定開始拓?fù)浣^緣體研究,，決定通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證假說,。
“盡管前期我們已經(jīng)建立了很好的基礎(chǔ)，但量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)條件非?？量蹋瑢?shí)現(xiàn)非常困難,?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)成員,、清華大學(xué)物理系何珂教授介紹，量子反?；魻栃?yīng)能夠出現(xiàn)的材料需要同時(shí)滿足三個(gè)條件：材料的電子結(jié)構(gòu)必須具有獨(dú)特的拓?fù)涮匦?；材料必須具有長程鐵磁序；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而對導(dǎo)電沒有任何貢獻(xiàn),。
實(shí)現(xiàn)條件苛刻,，但其未來應(yīng)用的潛力卻很大。研究團(tuán)隊(duì)介紹,，量子反常霍爾效應(yīng)在低能耗的電子元器件應(yīng)用領(lǐng)域可能發(fā)揮重要作用,。目前如二極管,、導(dǎo)線等電子元器件因?yàn)橥娏鳌l(fā)熱,，一部分電阻耗費(fèi)的能量會轉(zhuǎn)化為熱量,，但在呈現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的材料中,，電子可以像地鐵一樣沿著一條通道運(yùn)動,，不會發(fā)熱和損耗能量。
量子反?；魻栃?yīng)實(shí)驗(yàn)中,，研究團(tuán)隊(duì)分成兩組，一組專門負(fù)責(zé)生長出符合實(shí)驗(yàn)條件的樣品,，另一組負(fù)責(zé)測量樣品的性質(zhì)和物理效應(yīng),。高質(zhì)量的材料是實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的關(guān)鍵,，薛其坤親自擔(dān)任樣品生長的總負(fù)責(zé),，并安排馬旭村教授和何珂教授帶領(lǐng)幾位研究生具體進(jìn)行，測量工作則由物理系王亞愚教授負(fù)責(zé),。
“當(dāng)時(shí)沒有想過能不能成功,，就想要試一試?！蹦菚r(shí),，馬旭村研究組的何珂才剛剛回國參加工作，王亞愚的輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)室也剛剛搭建調(diào)試完畢,，兩個(gè)年輕人就在興奮,、忐忑以及對未來的憧憬中開始了實(shí)驗(yàn)。
困頓
“理論物理學(xué)家預(yù)言的一個(gè)假說,，往往需要實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證,。”王亞愚說。在研究團(tuán)隊(duì)的眼里,，發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的過程是一個(gè)遇到困難，不斷克服困難的“升級打怪”的過程,。
團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室仿佛一個(gè)科幻世界,，復(fù)雜的管線連接銀白色錫紙裹著的不銹鋼腔體，就在這些金屬腔體中,，原子飛行,、凝聚、慢慢形成具有特殊性質(zhì)的物質(zhì),。這些儀器被稱為分子束外延,，內(nèi)部處于接近月球表面的超高真空狀態(tài)。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的人需要非常小心,，避免碰到工作中的儀器,，否則有可能會讓他們幾天的工作前功盡棄。
“實(shí)驗(yàn)得非常謹(jǐn)慎,?！北究飘厴I(yè)后選擇直博的馮硝進(jìn)實(shí)驗(yàn)室后學(xué)了一年操作，“因?yàn)閮x器很復(fù)雜”,，馮硝說,，儀器上的一個(gè)小配件碰壞了，都有可能導(dǎo)致整個(gè)儀器癱瘓,，如果損壞的零配件自己無法修復(fù),，在國內(nèi)又無法買到，就需要耗費(fèi)幾個(gè)月時(shí)間從國外進(jìn)貨,。
馮硝當(dāng)時(shí)和師兄常翠祖跟隨何珂負(fù)責(zé)拓?fù)浣^緣體材料的生長,。在拓?fù)浣^緣體研究初期，薛其坤就敏銳意識到,，拓?fù)浣^緣體材料的生長動力學(xué)與自己長期從事的砷化鎵研究類似,。于是，他按照生長砷化鎵的方法,，安排現(xiàn)在已經(jīng)調(diào)到上海交通大學(xué)的賈金鋒具體帶領(lǐng)研究生研究,、建立拓?fù)浣^緣體材料的生長動力學(xué)。
材料的生長動力學(xué)描述的是一個(gè)個(gè)原子反應(yīng)后形成一個(gè)宏觀晶體的過程,。掌握了材料的生長動力學(xué),，才能精確控制材料生長。從1992年攻讀博士學(xué)位起,，薛其坤就一直從事薄膜生長動力學(xué)的系統(tǒng)研究,，累積了20余年的經(jīng)驗(yàn),。他曾因相關(guān)的研究兩次獲得國家自然科學(xué)二等獎。
在薛其坤的指導(dǎo)下,，賈金鋒帶領(lǐng)李耀義等研究生們僅用三四個(gè)月的時(shí)間,，就在國際上率先建立了拓?fù)浣^緣體薄膜的分子束外延生長動力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了對樣品生長過程在原子水平上的精確控制,，薄膜樣品的質(zhì)量達(dá)到了國際領(lǐng)先水平,。“這是關(guān)鍵的一步,，邁出了這一步,，后面的工作才能順利展開?？梢哉f就是從建立起這類材料的生長動力學(xué)的這一天起,，我們就奠定了在這項(xiàng)研究中的領(lǐng)先地位?！毖ζ淅?qiáng)調(diào)。隨后,，他又部署陳曦帶領(lǐng)張童,、程鵬等研究了拓?fù)浣^緣體薄膜的若干量子特性，結(jié)果與理論符合的出奇好,，這進(jìn)一步增強(qiáng)了他們團(tuán)隊(duì)的信心,。
此后兩年多，在常翠祖,、張金松,、馮硝等的努力下，研究不斷取得階段性進(jìn)展：
2010年,，完成對1納米到6納米（頭發(fā)絲粗細(xì)的萬分之一）厚度薄膜的生長和輸運(yùn)測量,，得到系統(tǒng)的結(jié)果，從而使準(zhǔn)二維拓?fù)浣^緣體的制備和輸運(yùn)測量成為可能,；
2011年,，實(shí)現(xiàn)對拓?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)電子對輸運(yùn)性質(zhì)的影響,；
2011年底，在準(zhǔn)二維,、體絕緣的拓?fù)浣^緣體中實(shí)現(xiàn)了自發(fā)長程鐵磁性,，并利用外加?xùn)艠O電壓對其電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位精密調(diào)控。
但此后,，研究工作陷入了停滯不前的狀態(tài)……
“從理論來看,，當(dāng)時(shí)我們能想到的所有問題似乎都解決了,，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果離最終的成功還非常遙遠(yuǎn)?！被貞浧?012年初最困難的時(shí)光,，何珂說，那段時(shí)間大家都很焦慮,，壓力很大,，“因?yàn)檠芯繒r(shí)間比較長，付出了很多努力,，非常擔(dān)心研究就此停滯不前”,。
“后來發(fā)現(xiàn)即使?jié)M足了量子反常霍爾效應(yīng)發(fā)生材料的三個(gè)條件,，但材料的各個(gè)參數(shù)需要在微妙的平衡下,，才有可能出現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng),?！瘪T硝解釋，實(shí)驗(yàn)有很多參數(shù),，不同參數(shù)間排列組合會產(chǎn)生無數(shù)可能,，最后就沉溺于這些可能性的探索中，甚至當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符預(yù)期時(shí),，也很難判斷究竟是哪些地方存在問題,。
“科學(xué)發(fā)現(xiàn)可以是偶然的，但是為科學(xué)發(fā)現(xiàn)作出準(zhǔn)備是必然的,?！毖ζ淅た吹搅诉@一切，把大家召集在一起,，一番熱情洋溢的講話后,，一位博士生形容自己“渾身發(fā)熱”、干勁十足,。薛其坤心里非常篤定,，要想完成科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，那就得在嚴(yán)謹(jǐn),、重復(fù)的基礎(chǔ)上努力,。
突破
突破來源于一次偶然的嘗試。
以往的實(shí)驗(yàn)中,，研究團(tuán)隊(duì)擔(dān)心幾納米厚的拓?fù)浣^緣體材料被破壞,，所以會設(shè)置一個(gè)襯底和一個(gè)保護(hù)層，并不斷優(yōu)化,?！皟?yōu)化完襯底后就有一個(gè)明顯提升,，但后來又到了平臺期?！备杏X自己無路可走的馮硝決定反其道而行之,，看看去除材料保護(hù)層會怎樣，沒想到這樣反而獲得了顯示量子反?；魻栃?yīng)跡象的樣品,。
2012年10月12日，周五傍晚,，大家的郵箱里收到了團(tuán)隊(duì)成員郭明華發(fā)來的剛測量好的數(shù)據(jù),。這個(gè)樣品的霍爾電阻達(dá)到了17000歐姆附近，而縱向電阻出現(xiàn)了小小的下降,。這小小的下降很有可能就是量子反?；魻栃?yīng)邊緣態(tài)的貢獻(xiàn)。常翠祖注意到這一點(diǎn),，向薛老師發(fā)信息匯報(bào)了情況,。
之所以說只是跡象，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并未達(dá)到25813歐姆的標(biāo)準(zhǔn),?！暗@對實(shí)驗(yàn)來講已經(jīng)是一個(gè)重大突破，之前從來沒有過類似的發(fā)現(xiàn),?！蓖鮼営藿忉尩?。
“當(dāng)時(shí)心里很忐忑,，這是不是真的？”馮硝說,，“大家都是壓著那種興奮,，小心翼翼地想一定要重復(fù)出來，證明它是真的,?！?/p>
薛其坤形容自己當(dāng)時(shí)的情緒是興奮和擔(dān)心交織，“全世界很多頂尖實(shí)驗(yàn)室都在攻克這個(gè)實(shí)驗(yàn),，我們不知道誰在做,，也不知道他們什么時(shí)候能做出來”。但很快,，他就冷靜下來,，“這些年大家的努力奮斗一定會有回報(bào)，天道酬勤,?！?/p>
在接下來的一個(gè)半月他們在緊張焦灼中共同奮戰(zhàn),，進(jìn)一步提高樣品質(zhì)量，并與物理所呂力研究組的通力合作,，對樣品進(jìn)行了30毫開溫度下的極低溫輸運(yùn)測量,，終于在12月6號觀測到了完美的量子化平臺——量子反常霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)了,！在那天,，薛其坤特意帶了兩瓶香檳酒和團(tuán)隊(duì)成員慶祝。
2013年3月,，成果順利發(fā)表在《科學(xué)》雜志上,。諾貝爾物理學(xué)獎得主楊振寧先生興奮地表示：“這是第一次從中國實(shí)驗(yàn)室里發(fā)表的諾貝爾獎級的物理學(xué)論文?！贝撕?，媒體的密集報(bào)道讓社會在短時(shí)間內(nèi)了解到“不明覺厲”的量子反常霍爾效應(yīng),，薛其坤的名字也被越來越多的人知曉,。
薛其坤多次強(qiáng)調(diào)，這次的成功是幾個(gè)優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)緊密高效合作的一個(gè)結(jié)果,，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)與理論團(tuán)隊(duì)緊密合作的結(jié)果,。在探索量子反常霍爾效應(yīng)的過程中,，除了前面提到的張首晟,，他們與中科院物理所的方忠、戴希,，與清華大學(xué)的朱邦芬,、段文暉等理論物理學(xué)家都有過很多有益的討論和合作。正像楊振寧先生所指出的,，這個(gè)成功與我們中華傳統(tǒng)的人文關(guān)系有密切的關(guān)系,。
收獲
在量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果剛發(fā)現(xiàn)的時(shí)候,，國際上出現(xiàn)了一些質(zhì)疑的聲音,。“但我們是很有自信的,，我們是“專業(yè)”物理學(xué)家,，有深厚的積累和過硬的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，學(xué)生也都經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?xùn)練,，所以我們的每一個(gè)數(shù)據(jù)都是可重復(fù)的,。”薛其坤說,。
2014年至2016年,，東京大學(xué),、加州大學(xué)、麻省理工學(xué)院,、普林斯頓大學(xué)先后重復(fù)驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn),，不同領(lǐng)域的權(quán)威學(xué)者們均將這一發(fā)現(xiàn)作為學(xué)術(shù)引用，在瑞典皇家科學(xué)院編寫的《2016年諾貝爾物理獎科學(xué)背景介紹》中,，將此發(fā)現(xiàn)列為拓?fù)湮镔|(zhì)領(lǐng)域代表性的實(shí)驗(yàn)突破,，得到了最權(quán)威評價(jià)機(jī)構(gòu)的高度認(rèn)可。
各項(xiàng)榮譽(yù)紛至沓來：薛其坤在2014年榮獲求是杰出科學(xué)家獎,、何梁何利科學(xué)與技術(shù)成就獎,，2016年獲首屆“未來科學(xué)大獎”。2018年還獲得國際上的一個(gè)納米科學(xué)成就獎,，前面八屆的獲獎?wù)甙ㄖZ貝爾物理獎獲得者Albert Fert,、碳納米管的發(fā)現(xiàn)者飯島澄男等著名科學(xué)家。團(tuán)隊(duì)成員馬旭村獲中國青年女科學(xué)家獎,，王亞愚獲中國物理學(xué)會“黃昆物理獎”,，何珂獲日本“仁科芳雄亞洲獎”……
在團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了專業(yè)、嚴(yán)謹(jǐn),、求實(shí)的學(xué)術(shù)訓(xùn)練和作風(fēng)熏陶的學(xué)生們,，也得到廣泛的認(rèn)可：常翠祖在2013年到美國麻省理工學(xué)院從事博士后研究，現(xiàn)在美國賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)院任助理教授,，并在2018年獲得了美國斯隆研究獎,；張金松和馮硝畢業(yè)后赴美國斯坦福大學(xué)進(jìn)行博士后研究，現(xiàn)在分別在清華大學(xué)物理系和清華大學(xué)-北京市未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心工作,。
研究過程予以了他們很多回饋,，但真正予以自己收獲的還是他們自己。在很多人眼中,，薛其坤是“知識改變命運(yùn)”的代名詞,，出生成長于山東沂蒙山區(qū)革命根據(jù)地,，為到北京讀研究生經(jīng)歷兩次失利,，卻憑借從上午7點(diǎn)到晚上11點(diǎn)泡在實(shí)驗(yàn)室的生活模式和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)攻克了一個(gè)個(gè)物理難題。
馮硝也說,，自己不算是聰明人,，也曾面臨過糾結(jié)，最終決定從事物理研究是因?yàn)椤拔冶в行判?，我所看到的就是真?shí)的東西”,。而決定從事物理的那一天，這個(gè)出生于黑龍江一個(gè)小農(nóng)場的女孩兒并沒能想到自己能參與到一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)中,。
再出發(fā)
“Now this is not the end. It is not even the beginning of the end. But it is, perhaps, the end of the beginning.”（取得勝利不是過程的終結(jié),，甚至連終結(jié)的開始都不是,。相反，它很可能一個(gè)新起點(diǎn)的開始）王亞愚引用了丘吉爾的這番話來描述他們的研究過程,。量子反?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)，于他們的研究而言,，僅是一個(gè)開始,，還有更高的山峰等著他們攀登。
薛其坤說,，科學(xué)家的研究是為了建立原理和方法,，為了以后研究更加成熟，為了和產(chǎn)業(yè)工業(yè)結(jié)合,。因此,，如何降低量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的苛刻條件要求,，成為研究團(tuán)隊(duì)正在攀登的山峰,。
幾年來，這支隊(duì)伍一路攀登,，一路收獲,。2015年，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)零電導(dǎo)平臺的首次觀測,；2014、2015年和2017年,，團(tuán)隊(duì)在磁性摻雜拓?fù)浣^緣體的磁性和輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控方面取得多次突破……
2018年,，團(tuán)隊(duì)又實(shí)現(xiàn)兩個(gè)重要進(jìn)展——大幅提高了量子反常霍爾效應(yīng)觀測溫度,，首次實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)多層結(jié)構(gòu)。
何珂說,，目前實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的溫度極低，這不僅阻礙了進(jìn)一步研究,，也讓其走向?qū)嶋H應(yīng)用帶來挑戰(zhàn),。“原來的溫度是比絕對零度高0.03度,，現(xiàn)在是比絕對零度高0.3度,，溫度提高了10倍”。
而量子反常霍爾效應(yīng)多層結(jié)構(gòu)是指,，把實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的一層薄膜，像搭磚塊兒一樣“壘砌”起來,。王亞愚解釋說,，這就像以前只有一條電子運(yùn)行的高速公路，現(xiàn)在要建設(shè)立交橋,，從而增強(qiáng)材料的導(dǎo)電能力,。
“這個(gè)聽起來很簡單，但實(shí)驗(yàn)上有相當(dāng)大的難度,?！焙午娼榻B，這一項(xiàng)目對技術(shù)的要求非常高,，實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子反?；魻栃?yīng)層已經(jīng)非常困難了，形成一個(gè)多層結(jié)構(gòu),，同時(shí)各層之間還能不受彼此干擾地正常運(yùn)轉(zhuǎn)就難上加難,。“盡管很難,，但這為探索更多新奇的拓?fù)淞孔游飸B(tài)打下一個(gè)非常好的基礎(chǔ),。”何珂說,。
如今,，研究團(tuán)隊(duì)每天仍然花費(fèi)大量的時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室中，不斷去生長樣品,、測試,，他們都期待能夠發(fā)現(xiàn)更多有趣的量子物態(tài)和量子效應(yīng)。
薛其坤說,，量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是國家改革開放40年來，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的大力支持下,，中國科學(xué)家沖擊國際科學(xué)技術(shù)難題的重要的例子,。“改革開放為我們中國科學(xué)走向世界奠定了非常好的基礎(chǔ),，給中國科學(xué)家造就了一個(gè)史無前例的黃金時(shí)代,?！彼粲?，中國人要有學(xué)術(shù)自信，要敢于去挑戰(zhàn)重大科學(xué)難題。解決重大科學(xué)難題,，解決核心技術(shù)難題,，是科技工作者報(bào)效祖國、回報(bào)人民最好的答卷,，也是中國科學(xué)真正走向世界中心的關(guān)鍵標(biāo)志,。
從葉企孫先生第一次實(shí)現(xiàn)對普朗克常數(shù)的測定，到發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng),，已經(jīng)過去近百年的時(shí)間。百年間,，變化的是日新月異的科技水平,，不變的，是科學(xué)家們追崇始終不變的“初心”,，這就像量子反?；魻栃?yīng)與普朗克常數(shù)永恒不變的線性關(guān)系那樣。
“物格而后知至,，知至而后意誠,，意誠而后心正，心正而后身修,，身修而后家齊,，家齊而后國治，國治而后天下平,?！?018年5月，薛其坤作為嘉賓登上《朗讀者》的舞臺,，并且朗誦了《大學(xué)》,。“我要把它獻(xiàn)給無數(shù)為中國物理奠基的葉企孫先生和諸位前輩們,?！毖ζ淅ふf。
文字及視頻來源：“清華大學(xué)”微信公眾號
