[焦點(diǎn)訪談]“反常”的奇跡
來(lái)源：焦點(diǎn)訪談 2013-4-13
最近在科學(xué)界有個(gè)大事值得和大家分享，這就是我國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中首次觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)。這是個(gè)什么樣的發(fā)現(xiàn)呢？著名的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)曾經(jīng)三次頒給這個(gè)研究領(lǐng)域的科學(xué)家，所以楊振寧評(píng)價(jià)這是一個(gè)“諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別”的科學(xué)成果。這么一個(gè)相當(dāng)專業(yè)的研究，和我們的生活有什么樣的關(guān)系，又有什么樣的意義呢？
這個(gè)實(shí)驗(yàn)是由薛其坤院士領(lǐng)導(dǎo)的由清華大學(xué)、中科院物理所和斯坦福大學(xué)研究人員聯(lián)合組成的團(tuán)隊(duì)共同完成的。那么到底什么是量子反常霍爾效應(yīng)呢？這要從什么是量子霍爾效應(yīng)說(shuō)起。
清華大學(xué)物理系教授 王亞愚：您可以看，如果這是一個(gè)一般的金屬材料或者半導(dǎo)體材料，那么里面電子的運(yùn)動(dòng)是非常無(wú)序的，它們雜亂無(wú)章、互相碰撞，那么這個(gè)就引起電子器件的速度降低，而且會(huì)能耗增大，會(huì)發(fā)熱。這時(shí)候如果我們加一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，你可以看這是強(qiáng)磁場(chǎng)，這時(shí)候電子運(yùn)動(dòng)就變得有規(guī)律了，它們?cè)诓牧系膬啥耍窀咚俟飞系钠囈粯樱@么反向運(yùn)動(dòng)，那么這時(shí)候呢，電子運(yùn)動(dòng)速度就變快了，能耗降低了，這是一個(gè)量子霍爾效應(yīng)態(tài)。
霍爾效應(yīng)是一個(gè)叫霍爾的美國(guó)科學(xué)家在100多年前發(fā)現(xiàn)的，是電磁效應(yīng)的一種，在霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)100年后，德國(guó)物理學(xué)家馮•克利青等發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)就是在外力的作用下，可以讓這些電子有規(guī)律地運(yùn)動(dòng)。后來(lái)科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)，在外力的作用下，電子還可以像高速路上跑的汽車一樣，分不同方向和不同車道運(yùn)動(dòng)。這樣一來(lái)就可以減少電子的碰撞，避免發(fā)熱和能量損耗。從而解決信息技術(shù)遇到的瓶頸問(wèn)題。但是，要讓電子有規(guī)律地運(yùn)動(dòng)，讓它們向著一個(gè)方向移動(dòng)，需要很強(qiáng)的磁場(chǎng)。
清華大學(xué)物理系教授 王亞愚：你可以看看這個(gè)磁場(chǎng)需要多大呢？這是我們實(shí)驗(yàn)用到的一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，實(shí)際上這個(gè)磁場(chǎng)還不夠強(qiáng)，那么你可以看到一人高，造價(jià)非常昂貴，運(yùn)行起來(lái)也非常麻煩，所以如果我們有一個(gè)小的電子器件，用這樣的磁場(chǎng)來(lái)達(dá)到我們剛才說(shuō)的量子霍爾效應(yīng)態(tài)的話，很顯然在實(shí)際應(yīng)用中是不現(xiàn)實(shí)的。
如果說(shuō)需要磁場(chǎng)才能實(shí)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)是平常霍爾效應(yīng)，科學(xué)家們就把不需要磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)，稱為反常霍爾效應(yīng)。許多科學(xué)家提出了各種方案，但是在實(shí)驗(yàn)上，都沒(méi)有取得任何進(jìn)展。也許，科學(xué)家就是不斷做夢(mèng)，并且不斷將夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)的人。
2006年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的張首晟教授，他領(lǐng)導(dǎo)的小組提出了一個(gè)新的材料，成功地預(yù)言了第一個(gè)拓?fù)浣^緣體，2008年他們又提出一個(gè)，在這種拓?fù)浣^緣體中實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的新思路。
美國(guó)斯坦福大學(xué)教授 張首晟：我在斯坦福大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，在理論上探討，感到在這個(gè)體系里面，就是在磁性的拓?fù)浣^緣體這個(gè)體系里面，有可能實(shí)現(xiàn)這么一個(gè)（讓電子）按照高速公路工作的原理。
在此前理論工作的基礎(chǔ)上，2010年，中科院物理所的理論物理學(xué)家方忠和戴希與張首晟教授合作，提出了一個(gè)實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的更好的材料體系。當(dāng)時(shí)這個(gè)新的材料體系引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。德國(guó)、美國(guó)、日本等地的科學(xué)家都沿著這個(gè)思路在實(shí)驗(yàn)上苦苦尋找，但一直沒(méi)有取得突破。同樣在苦苦尋找的還有中國(guó)的科學(xué)家。
薛其坤院士從2008年開(kāi)始就組建團(tuán)隊(duì)和中科院物理所的團(tuán)隊(duì)一起尋找那個(gè)讓人實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想的材料。
清華大學(xué)物理系主任 中國(guó)科學(xué)院院士 薛其坤：我們第一步要解決的問(wèn)題首先就是材料問(wèn)題，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)這個(gè)效應(yīng)，對(duì)材料的要求非常高。那么我們對(duì)雜質(zhì)的控制，一百萬(wàn)個(gè)原子中，只能有一個(gè)雜質(zhì)原子。那么這在實(shí)驗(yàn)上來(lái)講，盡管我們的實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件非常好，但是要達(dá)到這樣一個(gè)狀態(tài)還是非常困難的。
這個(gè)小小的東西就是做實(shí)驗(yàn)的材料，它的計(jì)算單位精確到原子水平。從2008年開(kāi)始到現(xiàn)在，薛其坤院士的團(tuán)隊(duì)先后有20多人參加，經(jīng)歷了1000多個(gè)日日夜夜，制作了1000多個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn)材料，終于在2012年的一天有了好消息，這一天是2012年10月12日。
美國(guó)斯坦福大學(xué)教授 張首晟：這可能是我們兩個(gè)人人生當(dāng)中最最喜悅的那一天，在發(fā)現(xiàn)的那一時(shí)刻，使得我們看到我們這種深刻的一種信念，在大自然里面果然是被實(shí)現(xiàn)了，所以這種感受是科學(xué)家最最大的一個(gè)回報(bào)。
經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，2012年12月20日他們向《科學(xué)》雜志提交了關(guān)于量子反常霍爾效應(yīng)的論文。經(jīng)過(guò)《科學(xué)》雜志三位權(quán)威專家審評(píng)后，這篇論文在2013年3月15日正式發(fā)表。
著名物理學(xué)家 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 楊振寧：我認(rèn)為這一次的成功，是從中國(guó)的實(shí)驗(yàn)室里頭所發(fā)表的第一次諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)論文。
說(shuō)到明星，我們現(xiàn)在就來(lái)看看之前因?yàn)樵谶@個(gè)研究領(lǐng)域而閃耀的科學(xué)巨星們，他們都獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。來(lái)看一看：1985年的德國(guó)科學(xué)家馮•克利青；1998年的美籍華人物理學(xué)家崔琦和他的合作伙伴施特默、勞克林；以及2010年的英國(guó)科學(xué)家安德烈•海姆和康斯坦丁•諾沃肖洛夫。
今天中國(guó)科學(xué)家又向前邁出了一大步，站在了這個(gè)研究領(lǐng)域的制高點(diǎn)。但現(xiàn)在這個(gè)實(shí)驗(yàn)還是在零下270攝氏度的絕對(duì)低溫條件下進(jìn)行的，距離實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。他們還要繼續(xù)探索，尋找一個(gè)在常溫下就能實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)材料。那么他們是如何站到目前這樣一個(gè)制高點(diǎn)上的呢，我們還將關(guān)注。
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