清華薛其坤領銜實驗攻克量子世界制高點
發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應，楊振寧稱贊這是諾貝爾獎級論文
記者 顧淑霞 劉蔚如
2013年3月18日，在規(guī)模宏大的美國物理學會年會上，清華大學薛其坤院士成為焦點人物——很多華人科學家和相熟的外國學者紛紛向他表示祝賀。在此三天前，由薛其坤領銜、清華大學物理系和中科院物理所聯(lián)合組成的實驗團隊在《科學》雜志在線發(fā)文，首次在實驗上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應，這意味著量子霍爾效應物理領域一個期待已久的重要現(xiàn)象已經被中國科學家率先觀測到。
圖為薛其坤（右一）和研究生們討論實驗進展。
4月10日，諾貝爾物理學獎得主、清華大學高等研究院名譽院長楊振寧表示：“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。”
右圖為理想情況下量子反常霍爾效應的行為，左圖為實驗測量到的數據，二者吻合得非常完美。
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(xiàn)分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎。這次中國科學家們首次在實驗上觀測到的量子反常霍爾效應，被認為可能是量子霍爾效應家族最后一個有待實驗發(fā)現(xiàn)的成員。為了實現(xiàn)這一基礎科學領域的重大突破，他們的團隊花了整整四年時間。
科學家敏銳眼光鎖定至高目標
量子反常霍爾效應是一個全新的量子效應，由于其存在不需要外加磁場，因此更具應用前景，成為世界凝聚態(tài)物理學家關注的焦點。
2008年10月15日，薛其坤清楚地記得這個日子。在課題組例行的組會上，一名學生在做文獻交流時介紹了 拓撲絕緣體的概念以及相關研究成果。從此，“拓撲絕緣體”走入了薛其坤的視野。拓撲絕緣體這個凝聚態(tài)物理中的新領域是由斯坦福大學的張首晟教授與來自美國和德國的另外兩位科學家共同開創(chuàng)的。張首晟和薛其坤之間的深厚友誼和密切交流使他們意識到，這是一個非常值得深入探究的領域。從那時起，他們就展開了對拓撲絕緣體中新奇量子效應的實驗研究。在一年多的時間內，他們與清華大學物理系陳曦和賈金鋒教授，以及中科院物理所馬旭村研究員合作，在拓撲絕緣體的樣品生長和原位電子態(tài)研究方面取得了一系列舉世矚目的成果。此后，他們瞄準了更高更難的目標：在實驗上實現(xiàn)量子反常霍爾效應，也就是零磁場中的量子霍爾效應。
量子反常霍爾效應是一個全新的量子效應，由于其存在不需要外加磁場，因此在應用方面比此前發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應要方便得多，可以推動新一代的低能耗晶體管和電子學器件的發(fā)展，解決電腦發(fā)熱等問題。因此從理論研究和實驗上實現(xiàn)量子反常霍爾效應，成為世界凝聚態(tài)物理學家關注的焦點。
圖為楊振寧先生在量子反常霍爾效應實驗成果新聞發(fā)布會上發(fā)表講話。研通社記者 王皓冉 攝
2006年，張首晟和他的學生們成功地預言了第一個拓撲絕緣體，一年之后，這個奇妙的預言就被實驗證實了。從此拓撲絕緣體這個領域就在全球范圍內蓬勃發(fā)展，成為凝聚態(tài)物理和材料科學研究中的主要方向。由于開創(chuàng)拓撲絕緣體這個領域的杰出貢獻，張首晟于2010年獲“歐洲物理獎”，2012年獲美國物理學會“奧利弗· 巴克利獎”（Oliver Buckley），這是凝聚態(tài)物理領域的最高獎。2012年他又獲得國際理論物理學最高獎“狄拉克獎”。2013年3月20日，“基礎物理學獎”頒獎盛典在瑞士日內瓦舉行，該獎被學界稱為科學界的奧斯卡獎，授獎于著名理論物理學家霍金，并將物理學前沿獎授予張首晟和他的同事們，表彰他們開創(chuàng)拓撲絕緣體領域的杰出貢獻。2009年，張首晟成為清華大學高等研究院特聘教授，從此，他立志于將拓撲絕緣體這個蓬勃發(fā)展的領域帶入中國，并與薛其坤開展了緊密合作。
圖為張首晟在量子反常霍爾效應實驗成果新聞發(fā)布會上發(fā)言。研通社記者 王皓冉 攝
當時拓撲絕緣體是建立在時間反演對稱性的原理上，2008年，張首晟和清華大學高等研究院博士生祁曉亮提出，當時間反演對稱性被磁性破壞后，會出現(xiàn)奇妙的量子反常霍爾效應，從此，磁性拓撲絕緣體便成為實現(xiàn)量子反常霍爾效應的理想系統(tǒng)。2008年，清華大學博士生劉朝星和祁曉亮在張首晟及中科院物理所研究員方忠和戴希的大力支持下，提出了二維磁性拓撲絕緣體實現(xiàn)量子反常霍爾效應的基本機理。自旋能帶的反帶原理深刻影響了量子反常霍爾效應的理論研究。2009年，張首晟和他的博士生們提出了Bi2Se3，Bi2Te3，Sb2Te3摻入3d磁性元素，實現(xiàn)磁性拓撲絕緣體的方案，并做了具體的解析計算。該文章發(fā)表在《自然》雜志物理分刊上。五個月后，張首晟又與中科院物理所方忠、戴希開展了緊密合作，通過第一性原理的數值計算，認證了該系統(tǒng)乃是磁性拓撲絕緣體，是實現(xiàn)量子反常霍爾效應的理想材料。該文章發(fā)表在《科學》雜志上，引起了國內外實驗物理學家的廣泛關注。從此，一場轟轟烈烈的國際競賽開始了。
量子反常霍爾效應意味著在零磁場中，霍爾電阻跳變到約25800歐姆的量子電阻值。要實現(xiàn)這一不可思議的量子現(xiàn)象，所需要的實驗材料必須同時滿足三項非常苛刻的條件：材料的能帶結構必須具有拓撲特性，從而具有導電的一維邊緣態(tài)；材料必須具有長程鐵磁序，從而存在反常霍爾效應；材料的體內必須為絕緣態(tài)，從而對導電沒有任何貢獻。這就如同要求一個人同時具有短跑運動員的速度、籃球運動員的高度和體操運動員的靈巧，其難度可想而知。在實際的實驗材料中要同時滿足這三點對實驗物理學家來講是一個巨大的挑戰(zhàn)，美國、德國、日本等國的一流科學家由于無法在材料中同時滿足這三點，而未取得最后的成功。
為了在激烈的國際競爭中脫穎而出，薛其坤對團隊成員進行了合理分工。由于高質量的材料是實現(xiàn)這一量子效應的關鍵，薛其坤親自擔任樣品生長的總負責，并指定馬旭村研究組的何珂帶領幾位研究生具體進行。反常霍爾效應測量則由清華大學物理系教授王亞愚負責。當時何珂剛剛加入中科院物理所開始工作，王亞愚在清華的輸運實驗室也才搭建調試完不久。兩個年輕人對于能夠負責這樣重大的研究課題感到非常興奮，然而在研究中遇到的挑戰(zhàn)也給他們帶來很大壓力。“最開始的時候不要說量子化的反常霍爾效應，就連這些材料在離開超高真空的生長環(huán)境后，能否獲得可靠的輸運數據，我們都沒有把握。”王亞愚說。“很長時間沒有什么好結果，我們都不太好意思見薛老師。”何珂回憶說。然而，正是薛其坤團隊在高質量樣品生長方面的深厚基礎，特別是薛其坤本人在樣品生長關鍵技術方面的具體指導，使得他們在建立拓撲絕緣體生長動力學的基礎上，最終克服了重重困難。
材料生長動力學奠定研究基礎
薛其坤團隊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，并長出了高質量的薄膜。從這一天起，他們就在世界上領先，并且一直將這個優(yōu)勢保持下去，直至最終得到完美的實驗結果。
在拓撲絕緣體研究初期，薛其坤就敏銳地意識到，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有非常類似的地方。于是，他迅速制定了實驗方案——按照生長砷化鎵的方法進行實驗，首先建立起拓撲絕緣體材料的生長動力學。“實驗轉到這個方向之后，就進入了我們比較擅長的領域。”薛其坤說。
材料的生長動力學描述的是如何從一個個原子的反應最后形成一個宏觀樣品的過程。只有掌握了材料的生長動力學，才能精確地控制材料的生長。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，至今已經累積了20余年的經驗，之前也已獲得兩項國家自然科學二等獎。
在薛其坤的親自指導下，團隊僅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(xiàn)了對樣品生長過程在原子水平上的精確控制，使得薄膜樣品的質量很快達到了國際領先水平。“這是最重要的一步，邁出了這一步，后面的工作才能順利展開。”薛其坤強調說，“可以說，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。”三維拓撲絕緣體的理論預言和高質量拓撲絕緣體薄膜的分子束外延生長動力學及電子態(tài)研究等系列成果在國際學術界引起了廣泛影響，并以總選票排名第一的成績入選“2010年度中國科學十大進展”。此外，團隊成員還獲得了“求是基金會”的“求是杰出科學家獎”和“求是杰出科技成就集體獎”。
恰好在這個關鍵時刻，張首晟受聘清華大學，自此與薛其坤團隊開始了緊密的合作研究。他們決定把研究的重點放在量子反常霍爾效應上，因為這無疑是拓撲絕緣體領域最具影響力的工作。張首晟深厚的學術造詣、活躍的學術思想和堅定執(zhí)著的學術態(tài)度為整個項目的順利實施起到了非常重要的作用。
緊密合作追求極致通往成功
面對高難度的實驗，力求完美、追求極致的科學精神和緊密的團隊合作讓他們跨越重重障礙，靠近勝利的彼岸。
雖然材料生長動力學這一關鍵問題得以解決，但這并不意味著接下來的工作就是一片坦途。毫不例外的，實現(xiàn)量子反常霍爾效應所需的三個苛刻條件帶來的種種難題他們也都遇到了。比如即使是高質量的拓撲絕緣體薄膜，也很難做到真正絕緣；另外在拓撲絕緣體材料中實現(xiàn)自發(fā)鐵磁序也非常困難。
實驗面臨的瓶頸數次讓整個團隊感覺舉步維艱。然而他們沒有放棄，而是選擇獨辟蹊徑，最終找到了一條非常合理的技術路線，這在很大程度上得益于樣品生長和輸運測量研究組的緊密合作。團隊成員幾乎每天都通過郵件和電話交流實驗結果，每2~3周都會進行一次充分討論，分析實驗的所有細節(jié)，并制定下一步的詳盡計劃。“我們這些有不同專長、不同性格、不同思路的研究人員為了一個共同的目標而努力，互相交流，互相促進，是取得成功的關鍵。如果我們都是相似的人，反而可能無法取得這樣的成就。”何珂說。
“我們很幸運有一批優(yōu)秀的研究生。”王亞愚說，“他們不僅工作勤奮，而且由于思維沒有束縛，在研究過程中經常會提出一些讓老師驚訝的奇思妙想。比如能帶結構工程、柵極電壓調制、襯底制備、表面覆蓋層的選擇、微小器件的加工等實驗的關鍵步驟，都是學生們在具體工作和相互討論的過程中摸索出來的。我們和學生們是一起成長的。”王亞愚說。
薛其坤和張首晟等資深科學家在關鍵步驟上的敏銳直覺和精準判斷，以及他們積極、自信、樂觀的態(tài)度也給予團隊成員很大鼓勵。曾經有一段時間，年輕的博士生們甚至覺得實驗沒有任何希望。作為團隊的領軍人物，薛其坤看到了這一切。他把大家召集在一起，一番熱情洋溢的講話之后，有位博士生形容自己感覺“渾身發(fā)熱”，干勁十足。此外，團隊成員也與方忠、戴希、劉朝星、祁曉亮、段文暉、朱邦芬等理論學者開展了緊密而愉快的合作，加快了實驗研究的進程。
在過去四年里，團隊成員共生長和測量了超過1000個樣品，并通過一次次的生長、測量、反饋、調整，爭取每一步都做到極致。功夫不負有心人，每6~9個月，他們就會克服一個困難，一個個激動人心的成果接踵而來。
2010年，他們完成了對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，得到了系統(tǒng)的結果，從而使得準二維拓撲絕緣體的制備和輸運測量成為可能。
2011年，他們實現(xiàn)了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，他們在準二維、體絕緣的拓撲絕緣體中實現(xiàn)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了原位精密調控。
就這樣，量子反常霍爾效應所需要實驗材料的三個苛刻條件終于實現(xiàn)了！
2012年3月，團隊成員不經意間觀察到反常霍爾電阻值竟達到了量子電阻的0.6倍，似乎離量子電阻咫尺之遙，這給了他們極大的鼓舞，成功只有一步之遙了！此后，他們從各個細節(jié)全面優(yōu)化生長測量條件，一步一步接近奇跡出現(xiàn)的時刻。
四年努力見證奇跡的時刻
團隊成員利用分子束外延生長了高質量的磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜，并在極低溫下對其磁阻和霍爾效應進行了精密測量。他們發(fā)現(xiàn)在一定的柵極電壓范圍內，材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到量子電阻的數值并形成一個平臺，同時縱向電阻急劇降低并趨近于零，這是量子化反常霍爾效應的特征性行為。
2012年10月的一個晚上，薛其坤收到學生的短信：他們在實驗中發(fā)現(xiàn)了量子反常霍爾效應的跡象！回憶起那一刻，薛其坤依然清晰記得當時的激動。當晚薛其坤立即組織團隊人員，設計出幾套方案，部署好了下一步的實驗，特別是和中科院物理所呂力研究組合作，將實驗推進到接近絕對零度的極低溫。
接下來的幾天里，團隊成員們用“誠惶誠恐”形容自己的心情。嚴謹的科學精神告訴他們，一次的結果并不能說明問題，他們需要用不同的樣品多次重復實驗。25800歐姆，所有人都在期待這個標志性的數值，然而沒有人知道神秘的微觀世界究竟會發(fā)生什么。之前一直沒有做到25800這個數值，但是現(xiàn)在如果超過了怎么辦？
數據不停地跳動著，10000、20000、25800！數據停住了！材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到量子電阻（h/e2 ~ 25800歐姆）的數值并形成一個平臺，同時縱向電阻急劇降低并趨近于零，這是量子化反常霍爾效應的特征性行為！歷史將這一時刻定格，在美國物理學家霍爾于1880年發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應133年后，人類終于實現(xiàn)了其量子化！實驗結果如此干凈漂亮，數據完美得不可思議，每位成員都在由衷地感嘆：“這真是見證奇跡的時刻！”
得出最終數據的那天，薛其坤帶了兩瓶香檳酒，團隊成員一起合影，留下珍貴的回憶。那一夜，距離2008年10月已是整整四年。四年里，無數個不眠之夜，功夫終不負有心人。
中國優(yōu)秀科研團隊向世界“亮劍”
量子反常霍爾效應這個重大的科學發(fā)現(xiàn)證明，中國科學家的科學素養(yǎng)、研究水平和對實驗技術的掌握，已經與國際先進水平接軌。在中國加大投入基礎科學研究20年后，中國科學界已經具備一批國際水平的科學家向世界科學領域“亮劍”。
薛其坤強調，真正的科學發(fā)現(xiàn)是為人類增加新知識，所以研究需要很長的過程，需要多年專業(yè)的訓練和積累，也需要一批經過嚴格訓練的專業(yè)選手來攻關。“在原子的尺度上控制薄膜的生長，我們有20年的經驗積累，厚積薄發(fā)，才能邁出量子反常霍爾效應實驗最核心的一步。”他說。
“重大實驗發(fā)現(xiàn)是對人類智慧的一個巨大挑戰(zhàn)，這對研究團隊的科研素養(yǎng)和積累，以及實驗技術水平的要求都非常高。我們的團隊成員在各自的領域都是一流的‘專業(yè)選手’，我們的研究團隊具備了國際領先水平。”薛其坤說。他強調，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。2005年~2007年，時任清華大學物理系主任的朱邦芬院士先后引進薛其坤、陳曦和王亞愚三位實驗物理學家，并通過各種途徑給他們創(chuàng)造良好的工作條件。中科院物理所也為馬旭村領導的表面物理研究組和呂力領導的極低溫輸運研究組提供了大力支持。科學家們每個人都在各自的領域做到了世界領先水平，并緊密合作，最終做出了量子反常霍爾效應這樣的重大科學發(fā)現(xiàn)。
“這項成果是我們團隊精誠合作、聯(lián)合攻關的共同成果，是中國科學家的集體榮譽。”薛其坤、張首晟、方忠等都著重強調這一點。
現(xiàn)在，這個誕生于中國本土的優(yōu)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(xiàn)象從原理性的發(fā)現(xiàn)走到應用，都需要不同領域科學家和工業(yè)界的共同努力，我們也會與更多的人合作，努力將這個領域發(fā)揚光大，不斷推動它向應用方向發(fā)展。”
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楊振寧：這是諾貝爾獎級的論文
由我校薛其坤院士領銜、我校物理系和中科院物理所聯(lián)合組成的實驗團隊從實驗上首次發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應，在國際物理學界引起巨大反響。4月10日，諾貝爾物理學獎得主、清華大學高等研究院名譽院長楊振寧在談起這項成果時稱贊道：“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！”
楊振寧強調說：“有一件事情，我覺得很值得思考和研究。搶做量子反常霍爾效應的實驗至今為止已有四年，全世界很多實驗室都在向這方面進軍。但是為什么他們都沒有成功，而只有清華大學跟中科院物理所的合作取得了突破？我想，這是與中國整個科研系統(tǒng)的體制，以及中國傳統(tǒng)的人文關系等密切相關。這一點我覺得很值得總結研討。”
“諾貝爾獎已經有一百多年的歷史了，沒有具體定義說明到底什么樣的工作是諾貝爾獎級的。不過在所有物理學、化學、生物學等領域的研究團隊里，多多少少有一個共識，知道哪樣的工作可能會得諾貝爾獎。像我們今天討論的這個工作，我相信，99%在前沿物理學做研究的人，都會同意這是諾貝爾獎級的成果。”楊振寧肯定地說，“過去人們總認為中國人不擅長做實驗，仿佛只會搞理論。其實當今中國已經有世界一流的實驗室，加上中國人的勤奮努力和團隊的合作精神，我們是能夠做出一流實驗的。”
張首晟：為量子霍爾效應畫上最美句號
“量子反常霍爾效應是繼拓撲絕緣體發(fā)現(xiàn)之后一個非常崇高的里程碑。”張首晟說。
張首晟指出：“自1930年前后發(fā)現(xiàn)量子力學基本原理，奠定了半導體發(fā)展的基礎之后，芯片上的三極管每18個月就翻一倍，散發(fā)出來的熱量也隨之增倍，這使得信息社會陷入一場非常嚴重的危機。但對我們科學家來說，這是‘危’更是‘機’，特別是對于中國的科學家來說。如果我們抓住機遇大膽創(chuàng)新，就完全可以跳躍式地走在世界科學領域的前列，從‘追隨者’成長為‘引領者’，這個意義是非常深刻的。因此，我們的科學家一定要抓住這個下一代信息革命的戰(zhàn)略制高點。”
張首晟說：“霍爾效應系列的確是一個金礦。在過去的一百多年里，繼美國科學家霍爾分別于1879年和1880年發(fā)現(xiàn)霍爾效應和反常霍爾效應后，整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的發(fā)現(xiàn)者分別獲得諾貝爾物理學獎。2006年~2007年，我們預言并證實了量子自旋霍爾效應和拓撲絕緣體，我也非常榮幸地被授予2010年“歐洲物理獎”。2012年獲得美國物理學會“奧利弗· 巴克利獎”，這是凝聚態(tài)物理領域的最高獎。2012年榮獲“狄拉克獎”，是國際理論物理學最高獎。2013年3月20日，“基礎物理學獎”頒獎盛典在瑞士日內瓦舉行，該獎被學界稱為科學界的奧斯卡獎，授獎于著名理論物理學家霍金，并將物理學前沿獎授予我和我的同事們，表彰我們開創(chuàng)拓撲絕緣體領域的杰出貢獻。此次由中國科研人員發(fā)現(xiàn)的量子反常霍爾效應是霍爾效應系列的最后一個重要成員，它的發(fā)現(xiàn)將為這張‘周期表’畫上一個最美的、最重的句號，或將加速推進信息技術革命的進程。”
（清華新聞網4月12日電）
編輯：欣研
