我國迷信家發明量子變態霍爾效應背地的故事

2014-08-07 10:35 來源：http://www.elinglong.com/ 閱讀：次

　　2008年10月15日，薛其坤院士明白地記得這個日子。在課題組例行的組會上，學生在做文獻交換時先容了拓撲絕緣體的概念以及相干研究結果。從此，“拓撲絕緣體”走進了薛其坤院士的視線。

　　在凝聚態物理的研究中，量子霍爾效應占領著極其重要的地位，此前在這方面的重要工作包含——

　　薛其坤院士強調，真正的科學發現是為人類增添新常識，所以研究需要很長的過程，需要多年專業的訓練和積累，也需要一批經由嚴厲練習的專業選手來攻關。“重大實驗發現是對人類的智慧的一個宏大挑戰，這對研究團隊的科研素養和積聚、對實驗技術水平請求非常高。我們的團隊成員在各自的領域都是一流的‘專業選手’，我們的研究團隊具備了國際領先的水平。”

　　薛其坤團隊在國際上率先樹立了拓撲絕緣體薄膜的分子束外延成長能源學，并長出了高品質的薄膜。從這一天起，他們就在世界上當先，并且始終將這個上風堅持下去，直至終極得到完善的實驗成果。

消息背景

　　最終數據出來的那天，薛其坤帶了兩瓶香檳酒，與團隊成員一起合影，留下這可貴的回想。那是2012年10月，離2008年10月實驗開始已整整4年。

　　□石墨烯中的半整數量子霍爾效應（2005年發現，2010年諾貝爾物理獎）；

　　在當今信息社會，半導體技術飛速發展，但電腦運行中熱量如何披發成為困擾半導體和信息工業發展的一個瓶頸問題。而量子反常霍爾效應的發現將有望解決這一困難。因為這一效應可能在將來電子器件中施展特別作用，可用于制備低能耗的高速電子器件。科學家可使電子在不需要強磁場的情形下，依照固定軌跡活動，減少電子無規矩碰撞導致的發燒和能量損耗。通過密度集成，未來計算機的體積也將大大縮小，千億次的超級盤算機有望做成現在的iPad那么大。因而，這一科研成果的利用遠景非常遼闊。

　　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研究等系列成果在國際學術界引起了普遍的關注，并以總得票排名第一入選了“2010年度中國科學十大進展”。

　　材料的生長動力學描寫的是如何從一個個原子的反映最后造成一個宏觀樣品的過程，只有把握了材料的生長動力學，才干精確地節制材料的生長。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體系研究，至今已經累積了20余年的教訓，并已失掉兩項國度做作科學獎二等獎。

　　——2010年，他們實現了對1納米到6納米（頭發絲粗細的萬分之一）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；

　　“為什么別國沒有成功而在中國取得成功，這與中國整個科研體系有關，同時與人文關聯有很大影響，值得研究。這是一件大喜事。”楊振寧傳授說。量子反常霍爾效應這個重大的科學發現證實，中國科學家的科學素養、研究水溫和對實驗技術的掌握，已經與國際進步水平接軌。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，可以向世界科學領域“亮劍”。

——我國科學家發現量子反常霍爾效應背地的故事

　　□量子化自旋霍爾效應（2007年發現，2010年歐洲物理獎，2012年美國物理學會巴克利獎）。

　　量子反常霍爾效應是在此范疇的又一個重大進展，有可能是量子霍爾效應家族的最后一個主要成員。

　　接下來的幾天里，團隊成員們用“誠惶誠恐”來形容當時本人的心境。謹嚴的迷信精力告知他們，一次結果并不能闡明問題，他們須要用不同的樣品做屢次反復實驗。

　　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，因此在運用方面比此前發現的量子霍爾效應要便利得多，可以推進新一代的低能耗晶體管和電子學器件的發展，解決電腦發熱等問題。因此從實踐研究和實驗上實現量子反常霍爾效應，成為世界凝集態物理學家關注的焦點。

　　□分數目子霍爾效應（1982年發現，1998年諾貝爾物理獎）；

　　就這樣，團隊成員在從前的4年里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、調劑，爭奪在每一步都做到極致。工夫不負有心人，一個個沖動人心的成果相繼而來：

　　——2011年，他們實現了對拓撲絕緣體能帶構造的精細調控，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；

　　“最開始的時候不要說量子化的反常霍爾效應，就連這些材料在分開超高真空的生長環境后，我們是否獲得牢靠的輸運數據都沒有掌握。”王亞愚說。然而，恰是薛其坤團隊在高質量樣品生長方面的深沉基礎，特別是薛其坤院士自己在樣品生長關鍵技術方面的具體指點，使得他們在建立了拓撲絕緣體生長動力學的基礎上，最終戰勝了重重艱苦。

　　實驗順利地進行著，25800歐姆，所有人等待著這個標記性的數值，然而不人曉得神秘的微觀世界畢竟會產生什么，之前一直做不到25800這個數值，然而當初假如超過了怎么辦？數據不停地跳動著，10000、20000、25800！數據愣住了！材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到量子電阻的數值并構成一個平臺，同時縱向電阻急劇下降并趨近于零，這是量子化反常霍爾效應的特點性行動。

　　在凝聚態物理中，量子霍爾效應盤踞著極其重要的地位。整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的實驗發現分辨于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎。這次中國科學家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現的成員。為了實現這一基礎科學領域的重大沖破，薛其坤院士和他的團隊整整花了4年時光。

　　在諾貝爾物理獎取得者、清華大學高級研究院聲譽院長楊振寧教學看來，薛其坤院士領銜的科研團隊獲得的，是“諾貝爾級別的科研成果”。

　　物理在人類的生涯中無處不在，而重大的實驗物理發現可以讓人類意識和控制天然界的法則，從而推動聽類社會的提高。

　　薛其坤院士以為，這一科研發現在很大水平上得益于最近20年中國對基本研究的器重和鼎力投入。從2005年到2007年，時任清華大學物理系主任的朱邦芬院士先后引進了薛其坤、陳曦、王亞愚3位實驗物理學家，并通過各種道路給他們發明盡量好的工作前提。中科院物理所也為馬旭村引導的名義物理研究組和呂力領導的極低溫輸運研究組供給了鼎力支撐。這些科學家每個人都在各自的領域做到了世界領先水平，并緊密合作，最終實現了量子反常霍爾效應這樣的重大科學發現。

來源：中國教導報 2013 *** 4 *** 11 唐景莉

以科學家靈敏的目光鎖定至高目的

成果應用前景廣闊

　　——2011年底，他們在準二維、體絕緣的拓撲絕緣體中實現了自發長程鐵磁性，并應用外加柵極電壓對其電子結構進行原位精密調控，一步一步靠近奇跡呈現的時刻。

　　（材料起源：清華大學、中國科技網）

　　130多年前，美國物理學家霍爾先后發現了霍爾效應和反常霍爾效應。在一個通有電流的導體中，如果施加一個垂直于電流方向的磁場，由于洛倫茲力的作用，電子的運動軌跡將產生偏轉，從而在垂直于電流和磁場方向的導體兩端發生電壓，這個電磁輸運現象就是有名的霍爾效應。而不加外磁場也可以觀測到霍爾效應，這種零磁場中的霍爾效應就是霍爾反常效應。

攻克量子世界的制高點

　　剛好在這個要害的時刻，張首晟作為&ldquo,清華大學培訓班;千人打算”學者受聘于清華大學，自此與薛其坤團隊開端了緊密的合作研究。他們決議把研究的重點放在量子反常霍爾效應上，由于這無疑是拓撲絕緣體領域最具影響力的工作。

　　3月18日，在范圍巨大的美國物理學會年會上，清華大學薛其坤院士成了焦點人物——許多華人科學家和相熟的本國學者紛紜走到他眼前向他表現慶祝。這些都源于今年3月15日《科學》（Science）雜志在線發表文章，發布由薛其坤院士領銜的清華大學物理系和中科院物理所結合組成的實驗團隊，從實驗上首次發現量子反常霍爾效應，這意味著量子霍爾效應物理領域一個期待已久的重要景象已經被中國科學家率先觀測到。

　　現在，這個出生于中國本土的優秀科研團隊依然在為量子反常霍爾效應的應用前景而斗爭著。薛其坤表示：“任何一個現象從原感性的發現走到應用，都需要不同領域的科學家和產業界的共同努力，我們也會與更多的人合作將這個領域發揮光大，推動它向應用的發展。”

　　為了在劇烈的國際競爭中懷才不遇，薛其坤院士對團隊成員進行了合理的分工。因為高質量的材料是實現這一量子效應的關鍵，薛其坤親自擔負樣品生長的總負責人，并指定由中科院物理所馬旭村研究組的何珂率領幾位研究生詳細進行。反常霍爾效應測量則由清華大學物理系的王亞愚負責。當時何珂剛進入物理所工作，王亞愚在清華的輸運實驗室也剛剛搭建調試結束。兩個年青人對可能負責這樣重大的研究課題覺得無比高興，然而在研究中碰到的挑釁也給他們帶來很大的壓力。

名詞說明

　　“我們很榮幸有一批優秀的研究生。”王亞愚說，“他們不僅工作勤懇，而且因為思維沒有受到約束，在研究過程中常常會提出一些讓我們驚奇的奇思妙想。”實驗的良多癥結步驟，都是學生們在詳細的工作和彼此的探討中探索出來的。“在這個研究過程中，我們和學生是一起成長的。”王亞愚說。

中國優良科研團隊向世界“亮劍”

　　然而，全部團隊沒有廢棄，而是抉擇獨辟蹊徑，最終找到了一條現在看來十分公道的技巧路線。這在很大程度上得益于樣品生長和輸運丈量研究組的緊密合作，團隊成員簡直天天都通過郵件和電話交流實驗結果，每隔兩三周都會進行一次充足的討論，剖析實驗的所有細節，制訂詳盡的下一步規劃。“我們這些有不同特長、不同性情、不同思路的研究人員為了一個獨特的目標而盡力，相互交流，互相增進，是取得成功的關鍵。”何珂說。

　　固然材料生長動力學這一關鍵問題得以解決，但這并不象征著接下來的工作就是一片坦途。

霍爾效應

見證奇跡的時刻

　　拓撲絕緣體這個凝聚態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首創的。張首晟教授和薛其坤院士深摯的友情和緊密的交流使他們意識到，這是一個非常值得在中國進行深刻探索的領域。從那時起，他們就開展了對拓撲絕緣體中離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的陳曦和賈金鋒教授，以及中科院物理所的馬旭村研究員合作，在拓撲絕緣體的樣品生長和原位電子態研究方面取得一系列舉世矚目標成果。爾后，他們瞄準了更高更難的目標：在實驗上實現量子反常霍爾效應，也就是零磁場中的量子霍爾效應。

　　□整數量子霍爾效應（1980年發現，1985年諾貝爾物理獎）；

　　2012年10月的一個晚上，薛其坤院士收到學生的短信，他們在實驗中發明了量子變態霍爾效應的跡象。當晚薛其坤即時組織團隊職員，設計出多少套計劃，安排好了下一步的試驗，特殊是跟中科院物理所呂力研討組配合，將實驗推動到瀕臨相對零度的極低溫。

　　“這項成果是我們團隊精誠合作，聯合攻關的共同成果，是中國科學家的群體聲譽。”薛其坤、張首晟、方忠等都重復向記者強調這一點。

　　在拓撲絕緣體研究的初期，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異常相似的處所。于是，他敏捷制定了實驗方案——按照生長砷化鎵的方式進行實驗，首先建立起拓撲絕緣體材料的生長動力學。

　　歷史將這一時刻定格——在美國物理學家霍爾于1880年發現反常霍爾效應133年后，人類終于實現了其量子化！實驗結果如斯清潔美麗，數據完美得不堪設想，讓每位成員都感慨“真是見證奇觀的時刻”。

量子霍爾效應研究已三獲諾貝爾獎

　　在薛其坤的親身領導下，團隊僅用三四個月，就在國際上率先建破了拓撲絕緣體薄膜的分子束外延生長動力學，實現了對樣品生長進程在原子水平上的準確把持，使得薄膜樣品的質量很快到達了國際領先程度。“能夠說就是從建立起這類材料的生長動力學的這一天起，咱們就奠定了在這項研究中的領先位置。”薛其坤說。

嚴密協作尋求極致通往勝利之路

資料生長動力學成為實驗成功的制勝兵器

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