1月8日上午，人民大會堂。清華大學副校長、物理系薛其坤院士走上主席臺，接過了國家自然科學一等獎的獲獎證書。獲獎項目的名稱是“量子反常霍爾效應的實驗發(fā)現”，而此時，距離2013年他所領導的團隊首次發(fā)現量子反常霍爾效應并將成果發(fā)布在《科學》（Science）雜志上，已經過去近6年的時間。10多年來，他們的科研生涯與量子反常霍爾效應結下了不解之緣。
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緣起
25813歐姆，是量子反常霍爾效應實現的標志。在零磁場下，當霍爾電阻跳變到約25813歐姆的量子電阻平臺時，這種量子現象就稱為量子反常霍爾效應。130多年前，美國物理學家霍爾先后發(fā)現霍爾效應和反常霍爾效應，如今汽車里的很多傳感器都基于霍爾效應。量子霍爾效應在凝聚態(tài)物理中占據著極其重要的地位，整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的實驗發(fā)現分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎。量子反常霍爾效應由于其存在不需要外加磁場，因此比此前發(fā)現的量子霍爾效應在應用方面要方便得多，從實驗上實現量子反常霍爾效應，成為凝聚態(tài)物理學家關注的焦點和科學難題。
突破的契機出現于2006年，美國斯坦福大學教授、清華大學高等研究院特聘教授張首晟領導的團隊成功地預言了一類叫拓撲絕緣體的材料，并在2008年與清華大學、中科院物理所的合作伙伴們一起提出了在拓撲絕緣體中引入磁性將有可能實現量子反常霍爾效應的理論。
凝聚態(tài)物理和材料科學一直是薛其坤的研究領域。拓撲絕緣體是一種神奇的材料，它的神奇之處在于內部絕緣，表面卻可以導電。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交流時介紹了拓撲絕緣體的概念以及相關研究成果。與學生們進一步討論后，薛其坤決定開始拓撲絕緣體研究，決定通過實驗來驗證假說。
“盡管前期我們已經建立了很好的基礎，但量子反常霍爾效應的實驗條件非常苛刻，實現非常困難。”研究團隊成員、清華大學物理系何珂教授介紹，量子反常霍爾效應能夠出現的材料需要同時滿足三個條件：材料的電子結構必須具有獨特的拓撲特性；材料必須具有長程鐵磁序；材料的體內必須為絕緣態(tài)從而對導電沒有任何貢獻。
實現條件苛刻，但其未來應用的潛力卻很大。研究團隊介紹，量子反常霍爾效應在低能耗的電子元器件應用領域可能發(fā)揮重要作用。目前如二極管、導線等電子元器件因為通電流、發(fā)熱，一部分電阻耗費的能量會轉化為熱量，但在呈現量子反常霍爾效應的材料中，電子可以像地鐵一樣沿著一條通道運動，不會發(fā)熱和損耗能量。
量子反常霍爾效應實驗中，研究團隊分成兩組，一組專門負責生長出符合實驗條件的樣品，另一組負責測量樣品的性質和物理效應。高質量的材料是實現量子反常霍爾效應的關鍵，薛其坤親自擔任樣品生長的總負責，并安排馬旭村教授和何珂教授帶領幾位研究生具體進行，測量工作則由物理系王亞愚教授負責。
“當時沒有想過能不能成功，就想要試一試。”那時，馬旭村研究組的何珂才剛剛回國參加工作，王亞愚的輸運實驗室也剛剛搭建調試完畢，兩個年輕人就在興奮、忐忑以及對未來的憧憬中開始了實驗。
困頓
“理論物理學家預言的一個假說，往往需要實驗物理學家長時間的實驗去驗證。”王亞愚說。在研究團隊的眼里，發(fā)現量子反常霍爾效應的過程是一個遇到困難，不斷克服困難的“升級打怪”的過程。
團隊的實驗室仿佛一個科幻世界，復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的物質。這些儀器被稱為分子束外延，內部處于接近月球表面的超高真空狀態(tài)。進入實驗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。
“實驗得非常謹慎。”本科畢業(yè)后選擇直博的馮硝進實驗室后學了一年操作，“因為儀器很復雜”，馮硝說，儀器上的一個小配件碰壞了，都有可能導致整個儀器癱瘓，如果損壞的零配件自己無法修復，在國內又無法買到，就需要耗費幾個月時間從國外進貨。
馮硝當時和師兄常翠祖跟隨何珂負責拓撲絕緣體材料的生長。在拓撲絕緣體研究初期，薛其坤就敏銳意識到，拓撲絕緣體材料的生長動力學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，安排現在已經調到上海交通大學的賈金鋒具體帶領研究生研究、建立拓撲絕緣體材料的生長動力學。
材料的生長動力學描述的是一個個原子反應后形成一個宏觀晶體的過程。掌握了材料的生長動力學，才能精確控制材料生長。從1992年攻讀博士學位起，薛其坤就一直從事薄膜生長動力學的系統(tǒng)研究，累積了20余年的經驗。他曾因相關的研究兩次獲得國家自然科學二等獎。
在薛其坤的指導下，賈金鋒帶領李耀義等研究生們僅用三四個月的時間，就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，實現了對樣品生長過程在原子水平上的精確控制，薄膜樣品的質量達到了國際領先水平。“這是關鍵的一步，邁出了這一步，后面的工作才能順利展開。可以說就是從建立起這類材料的生長動力學的這一天起，我們就奠定了在這項研究中的領先地位。”薛其坤強調。隨后，他又部署陳曦帶領張童、程鵬等研究了拓撲絕緣體薄膜的若干量子特性，結果與理論符合的出奇好，這進一步增強了他們團隊的信心。
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展：
2010年，完成對1納米到6納米（頭發(fā)絲粗細的萬分之一）厚度薄膜的生長和輸運測量，得到系統(tǒng)的結果，從而使準二維拓撲絕緣體的制備和輸運測量成為可能；
2011年，實現對拓撲絕緣體能帶結構的精密調控，使其成為真正的絕緣體，去除了體內電子對輸運性質的影響；
2011年底，在準二維、體絕緣的拓撲絕緣體中實現了自發(fā)長程鐵磁性，并利用外加柵極電壓對其電子結構進行原位精密調控。
但此后，研究工作陷入了停滯不前的狀態(tài)……
“從理論來看，當時我們能想到的所有問題似乎都解決了，但是實驗結果離最終的成功還非常遙遠。”回憶起2012年初最困難的時光，何珂說，那段時間大家都很焦慮，壓力很大，“因為研究時間比較長，付出了很多努力，非常擔心研究就此停滯不前”。
“后來發(fā)現即使?jié)M足了量子反常霍爾效應發(fā)生材料的三個條件，但材料的各個參數需要在微妙的平衡下，才有可能出現量子反常霍爾效應。”馮硝解釋，實驗有很多參數，不同參數間排列組合會產生無數可能，最后就沉溺于這些可能性的探索中，甚至當實驗結果不符預期時，也很難判斷究竟是哪些地方存在問題。
“科學發(fā)現可以是偶然的，但是為科學發(fā)現作出準備是必然的。”薛其坤看到了這一切，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，要想完成科學規(guī)律的發(fā)現，那就得在嚴謹、重復的基礎上努力。
突破
突破來源于一次偶然的嘗試。
以往的實驗中，研究團隊擔心幾納米厚的拓撲絕緣體材料被破壞，所以會設置一個襯底和一個保護層，并不斷優(yōu)化。“優(yōu)化完襯底后就有一個明顯提升，但后來又到了平臺期。”感覺自己無路可走的馮硝決定反其道而行之，看看去除材料保護層會怎樣，沒想到這樣反而獲得了顯示量子反常霍爾效應跡象的樣品。
2012年10月12日，周五傍晚，大家的郵箱里收到了團隊成員郭明華發(fā)來的剛測量好的數據。這個樣品的霍爾電阻達到了17000歐姆附近，而縱向電阻出現了小小的下降。這小小的下降很有可能就是量子反常霍爾效應邊緣態(tài)的貢獻。常翠祖注意到這一點，向薛老師發(fā)信息匯報了情況。
之所以說只是跡象，是因為當時的實驗結果并未達到25813歐姆的標準。“但這對實驗來講已經是一個重大突破，之前從來沒有過類似的發(fā)現。”王亞愚解釋道。
“當時心里很忐忑，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出來，證明它是真的。”
薛其坤形容自己當時的情緒是興奮和擔心交織，“全世界很多頂尖實驗室都在攻克這個實驗，我們不知道誰在做，也不知道他們什么時候能做出來”。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，天道酬勤。”
在接下來的一個半月他們在緊張焦灼中共同奮戰(zhàn)，進一步提高樣品質量，并與物理所呂力研究組的通力合作，對樣品進行了30毫開溫度下的極低溫輸運測量，終于在12月6號觀測到了完美的量子化平臺——量子反常霍爾效應被發(fā)現了！在那天，薛其坤特意帶了兩瓶香檳酒和團隊成員慶祝。
2013年3月，成果順利發(fā)表在《科學》雜志上。諾貝爾物理學獎得主楊振寧先生興奮地表示：“這是第一次從中國實驗室里發(fā)表的諾貝爾獎級的物理學論文。”此后，媒體的密集報道讓社會在短時間內了解到“不明覺厲”的量子反常霍爾效應，薛其坤的名字也被越來越多的人知曉。
薛其坤多次強調，這次的成功是幾個優(yōu)秀實驗團隊緊密高效合作的一個結果，同時也是實驗團隊與理論團隊緊密合作的結果。在探索量子反常霍爾效應的過程中，除了前面提到的張首晟，他們與中科院物理所的方忠、戴希，與清華大學的朱邦芬、段文暉等理論物理學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，這個成功與我們中華傳統(tǒng)的人文關系有密切的關系。
收獲
在量子反常霍爾效應實驗結果剛發(fā)現的時候，國際上出現了一些質疑的聲音。“但我們是很有自信的，我們是“專業(yè)”物理學家，有深厚的積累和過硬的實驗技術，學生也都經過嚴謹的訓練，所以我們的每一個數據都是可重復的。”薛其坤說。
2014年至2016年，東京大學、加州大學、麻省理工學院、普林斯頓大學先后重復驗證這一發(fā)現，不同領域的權威學者們均將這一發(fā)現作為學術引用，在瑞典皇家科學院編寫的《2016年諾貝爾物理獎科學背景介紹》中，將此發(fā)現列為拓撲物質領域代表性的實驗突破，得到了最權威評價機構的高度認可。
各項榮譽紛至沓來：薛其坤在2014年榮獲求是杰出科學家獎、何梁何利科學與技術成就獎，2016年獲首屆“未來科學大獎”。2018年還獲得國際上的一個納米科學成就獎，前面八屆的獲獎者包括諾貝爾物理獎獲得者Albert Fert、碳納米管的發(fā)現者飯島澄男等著名科學家。團隊成員馬旭村獲中國青年女科學家獎，王亞愚獲中國物理學會“黃昆物理獎”，何珂獲日本“仁科芳雄亞洲獎”……
在團隊經歷了專業(yè)、嚴謹、求實的學術訓練和作風熏陶的學生們，也得到廣泛的認可：常翠祖在2013年到美國麻省理工學院從事博士后研究，現在美國賓夕法尼亞州立大學物理學院任助理教授，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進行博士后研究，現在分別在清華大學物理系和清華大學-北京市未來芯片技術高精尖創(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”的代名詞，出生成長于山東沂蒙山區(qū)革命根據地，為到北京讀研究生經歷兩次失利，卻憑借從上午7點到晚上11點泡在實驗室的生活模式和嚴謹的作風攻克了一個個物理難題。
馮硝也說，自己不算是聰明人，也曾面臨過糾結，最終決定從事物理研究是因為“我抱有信心，我所看到的就是真實的東西”。而決定從事物理的那一天，這個出生于黑龍江一個小農場的女孩兒并沒能想到自己能參與到一個重大發(fā)現中。
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，甚至連終結的開始都不是。相反，它很可能一個新起點的開始）王亞愚引用了丘吉爾的這番話來描述他們的研究過程。量子反常霍爾效應的發(fā)現，于他們的研究而言，僅是一個開始，還有更高的山峰等著他們攀登。
薛其坤說，科學家的研究是為了建立原理和方法，為了以后研究更加成熟，為了和產業(yè)工業(yè)結合。因此，如何降低量子反常霍爾效應實現的苛刻條件要求，成為研究團隊正在攀登的山峰。
幾年來，這支隊伍一路攀登，一路收獲。2015年，團隊實現量子反常霍爾效應零電導平臺的首次觀測；2014、2015年和2017年，團隊在磁性摻雜拓撲絕緣體的磁性和輸運性質的調控方面取得多次突破……
2018年，團隊又實現兩個重要進展——大幅提高了量子反常霍爾效應觀測溫度，首次實現量子反常霍爾效應多層結構。
何珂說，目前實現量子反常霍爾效應的溫度極低，這不僅阻礙了進一步研究，也讓其走向實際應用帶來挑戰(zhàn)。“原來的溫度是比絕對零度高0.03度，現在是比絕對零度高0.3度，溫度提高了10倍”。
而量子反常霍爾效應多層結構是指，把實現量子反常霍爾效應的一層薄膜，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行的高速公路，現在要建設立交橋，從而增強材料的導電能力。
“這個聽起來很簡單，但實驗上有相當大的難度。”何珂介紹，這一項目對技術的要求非常高，實現一個量子反常霍爾效應層已經非常困難了，形成一個多層結構，同時各層之間還能不受彼此干擾地正常運轉就難上加難。“盡管很難，但這為探索更多新奇的拓撲量子物態(tài)打下一個非常好的基礎。”何珂說。
如今，研究團隊每天仍然花費大量的時間在實驗室中，不斷去生長樣品、測試，他們都期待能夠發(fā)現更多有趣的量子物態(tài)和量子效應。
薛其坤說，量子反常霍爾效應的實驗發(fā)現是國家改革開放40年來，在國民經濟發(fā)展和社會進步的大力支持下，中國科學家沖擊國際科學技術難題的重要的例子。“改革開放為我們中國科學走向世界奠定了非常好的基礎，給中國科學家造就了一個史無前例的黃金時代。”他呼吁，中國人要有學術自信，要敢于去挑戰(zhàn)重大科學難題。解決重大科學難題，解決核心技術難題，是科技工作者報效祖國、回報人民最好的答卷，也是中國科學真正走向世界中心的關鍵標志。
從葉企孫先生第一次實現對普朗克常數的測定，到發(fā)現量子反常霍爾效應，已經過去近百年的時間。百年間，變化的是日新月異的科技水平，不變的，是科學家們追崇始終不變的“初心”，這就像量子反常霍爾效應與普朗克常數永恒不變的線性關系那樣。
“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。”2018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》。“我要把它獻給無數為中國物理奠基的葉企孫先生和諸位前輩們。”薛其坤說。
文字及視頻來源：“清華大學”微信公眾號
