2019年1月8日上午，“2018年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會”隆重召開。中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)副校長薛其坤教授領(lǐng)導(dǎo)的清華大學(xué)、中科院物理研究所實驗團隊完成的“量子反?；魻栃?yīng)的實驗發(fā)現(xiàn)”項目，獲得本年度國家自然科學(xué)獎項中唯一的一等獎。這項發(fā)表于2013年的研究工作，被稱為誕生在我國本土實驗室的諾獎級重大成果。?

　　量子反?；魻栃?yīng)，對普通人來說，拗口又晦澀。但在物理學(xué)家眼中，它“神奇”又“美妙”。因為這一效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)可能帶來下一次信息技術(shù)變革。采用這種技術(shù)設(shè)計的集成電路和元器件，千億次的超級計算機有望做成平板電腦那么大，智能手機的內(nèi)存可能會提高上千倍。?

　　那么，量子反?；魻栃?yīng)到底是一種怎樣的物理現(xiàn)象，它的發(fā)現(xiàn)為何能引起如此巨大的反響呢？?

　　在了解量子反?；魻栃?yīng)之前，我們還是要先從經(jīng)典電磁學(xué)中的霍爾效應(yīng)開始說起。?

　　140年前，也就是1879年，美國物理學(xué)家霍爾在研究金屬的導(dǎo)電機制時，發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)?，F(xiàn)在這一經(jīng)典效應(yīng)，早已經(jīng)成為高中物理課本中的重要內(nèi)容。?

　　我們先來簡單回顧一下，課堂上學(xué)過的知識。?

　　霍爾效應(yīng)是指，當通過導(dǎo)體的電流與外磁場垂直的時候，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一個附加電場，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差，也就是電壓，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個電壓也被稱為霍爾電壓。?

　　140年的時間里，霍爾效應(yīng)在電力電子，特別是傳感器等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代汽車上，比如汽車速度表及里程表、各種用電負載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、曲軸角度傳感器、抗干擾開關(guān)等等，都是應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾器件。?

　　霍爾效應(yīng)的概念本身還算容易理解，但是，當它與量子理論結(jié)合時又會擦出怎樣的火花呢？?

　　我們知道，當物理學(xué)研究對象本身的維度進入到微觀領(lǐng)域時，與我們在宏觀世界中的日常經(jīng)驗完全迥異的量子理論，就將掌控各種物理規(guī)律。這個時候，若干物理量的連續(xù)變化將呈現(xiàn)為間斷性變化，體現(xiàn)出量子特征。例如，宏觀世界的蘋果，有大有小，蘋果的大小可以連續(xù)變化。而微觀世界中的蘋果，大小就不是連續(xù)變化的了，而是相當于某個基礎(chǔ)蘋果尺寸的整數(shù)倍，不存在其它尺寸的微觀蘋果。?

　　用這個聽起來不太確切的例子，想要說明的是，在量子力學(xué)的世界中，很多物理量都是某一基礎(chǔ)值的整數(shù)倍。?

　　我們再回過頭來繼續(xù)剛才說到的量子理論與霍爾效應(yīng)相結(jié)合的話題。高中物理知識告訴我們，在無限大均勻平面磁場中，以垂直磁感線方向入射的初速不為零的電子，將做勻速圓周運動。而在經(jīng)典的霍爾效應(yīng)導(dǎo)體中，自由電子雖然會在磁場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但由于偏轉(zhuǎn)半徑很大，尚未完成圓周運動就會堆積在導(dǎo)體一側(cè)。?

　　想讓自由電子在導(dǎo)體內(nèi)部完成圓周運動，還需要一個特定的環(huán)境：首先要在足夠低的溫度中，再有一個非常強的外加磁場，在這樣的環(huán)境下電子的偏轉(zhuǎn)半徑就會明顯減小，從而可能在導(dǎo)體內(nèi)部完成圓周運動。?

　　這時的導(dǎo)體內(nèi)部，仿佛存在無數(shù)個高速轉(zhuǎn)動的“陀螺”。當外加磁場繼續(xù)增大，電子的回旋半徑會進一步縮小，當它小到與電子本身近似的微觀水平時，量子效應(yīng)就產(chǎn)生了。發(fā)生量子霍爾效應(yīng)時，導(dǎo)體內(nèi)部電子在原地進行圓周運動，而導(dǎo)體邊緣電子就會形成導(dǎo)電通路。?

　　量子霍爾效應(yīng)具有多種神奇而充滿魅力的特點，但是它的產(chǎn)生，需要依賴強大的外加磁場條件，所以缺乏實用性。試想一下，如果開發(fā)一枚具備量子霍爾效應(yīng)的超導(dǎo)芯片，雖然它本身具有低發(fā)熱、高速度等有益特點，但想要維持運轉(zhuǎn)，可能要配備上一臺冰箱一樣大小的強磁場發(fā)生器，這是我們無法接受的。?

　　如果找到一種材料，可以不依賴強磁場就能產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)，那豈不是事半功倍了嘛。沒錯，這種材料就是大名鼎鼎的拓撲絕緣體。?

　　自從2007年面世后，拓撲絕緣體在全世界吸引了堪比石墨烯材料的關(guān)注度。薛其坤教授和他的團隊，正是受這種材料的啟發(fā)，把拓撲絕緣體和鐵磁性材料有機結(jié)合，實現(xiàn)了低溫下無需外加強磁場就能觀測到的量子霍爾效應(yīng)。為了體現(xiàn)區(qū)別，這種新的現(xiàn)象被稱為量子反?；魻栃?yīng)。?

　　這一新發(fā)現(xiàn)，來自薛其坤研究團隊的一次偶然嘗試。?

　　量子反常霍爾效應(yīng)的實現(xiàn)，有一個特別鮮明的標志。那就是，在零磁場下，當霍爾電阻跳變到大約25813歐姆的量子電阻基準時，這種量子現(xiàn)象才被稱為量子反?；魻栃?yīng)。?

　　在以往的實驗中，薛其坤研究團隊擔心幾納米厚的拓撲絕緣體材料，很容易破損，所以會設(shè)置一個襯底和一個保護層，并且不斷優(yōu)化。團隊成員馮硝說道：“優(yōu)化完襯底后就有一個明顯提升，但后來又到了平臺期。感覺無路可走時，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?；魻栃?yīng)跡象的樣品。”?

　　2012年10月份，一個周五的晚上，團隊成員郭明華給大家工作郵箱里發(fā)送了剛剛測量好的數(shù)據(jù)。這個樣品的霍爾電阻達到了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常霍爾效應(yīng)邊緣態(tài)的貢獻。團隊成員注意到這一點之后，向薛其坤教授匯報了情況。?

　　之所以說只是跡象，是因為當時的實驗結(jié)果并未達到25813歐姆的標準。但這對實驗來說已經(jīng)是一個重大突破，之前從來沒有過類似的發(fā)現(xiàn)。薛其坤教授形容自己當時的情緒是既興奮又擔心，他說：“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，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時間里，研究團隊在緊張焦灼中共同奮戰(zhàn)，進一步提高樣品質(zhì)量，并與中科院物理所呂力研究組通力合作，對樣品進行了30毫開溫度下的極低溫輸運測量，終于在2012年12月6日，觀測到了完美的量子化平臺——量子反?；魻栃?yīng)被發(fā)現(xiàn)了。?

　　在薛其坤教授看來，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。所以，如何降低量子反?；魻栃?yīng)實現(xiàn)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(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)零電導(dǎo)平臺的首次觀測；2014、2015年和2017年，團隊在磁性摻雜拓撲絕緣體的磁性和輸運性質(zhì)的調(diào)控方面取得多次突破……2018年，團隊又實現(xiàn)兩個重要進展，一是，大幅提高了量子反?；魻栃?yīng)觀測溫度；二是，首次實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)多層結(jié)構(gòu)。團隊成員何珂介紹說，目前實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的溫度極低，這不僅阻礙了進一步研究，也給實際應(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?；魻栃?yīng)多層結(jié)構(gòu)是指，把實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的一層薄膜，像搭磚塊兒一樣‘壘砌’起來。這就像以前只有一條電子運行的高速公路，現(xiàn)在要建設(shè)立交橋，進一步增強材料的導(dǎo)電能力。?

　　這個聽起來不太明顯的變動，其實在實驗上有相當大的難度。實現(xiàn)一個量子反?；魻栃?yīng)層已經(jīng)非常困難了，要想形成一個多層結(jié)構(gòu)，同時各層之間還能不受彼此干擾地正常運轉(zhuǎn)就難上加難。不過，這也為探索更多新奇的拓撲量子物態(tài)，打下了一個非常好的基礎(chǔ)。?

　　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(xiàn)更多有趣的量子物態(tài)和量子效應(yīng)。?

　　140年前的物理學(xué)家霍爾，無法回答經(jīng)典霍爾效應(yīng)能做什么。但今天，經(jīng)典霍爾效應(yīng)已經(jīng)融入了我們?nèi)粘Ｉ钪校瑥V泛應(yīng)用于汽車、家電、手機等行業(yè)。量子霍爾效應(yīng)也提供了一種超高性能電子器件的可能實現(xiàn)的途徑。而我國科學(xué)家率先發(fā)現(xiàn)的量子反常霍爾效應(yīng)，又進一步擺脫了強磁場的桎梏，有條件實現(xiàn)器件的小型化。或許在不久的未來，會看到更多的實際應(yīng)用場景，讓我們拭目以待。



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