薛其坤做客清華論壇講述量子反常霍爾效應(yīng)實驗觀測
清華新聞網(wǎng)4月28日電（記者 劉蔚如 顧淑霞）4月27日下午，清華大學(xué)物理系薛其坤院士做客清華論壇，講述量子反常霍爾效應(yīng)的實驗觀測和體會。副校長康克軍出席論壇。
圖為薛啟坤做報告。學(xué)生記者 李鈞翔 攝
薛其坤院士回顧了過去4年間，他所領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊從著手進(jìn)入拓?fù)浣^緣體這個全新的研究領(lǐng)域，一直到在實驗上成功觀測到量子反常霍爾效應(yīng)的奮斗過程，并對這個領(lǐng)域的未來發(fā)展做了簡單評述。
薛其坤從量子反常霍爾效應(yīng)實驗觀測相關(guān)的一些基本知識講起，為在座的師生們簡要介紹了霍爾效應(yīng)家族的全貌。薛其坤介紹說，1879年和1880年，美國科學(xué)家霍爾分別發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)，此后，整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)也逐一被發(fā)現(xiàn)。量子霍爾效應(yīng)好比是電子運動的“交通規(guī)則”，使得電子只能沿著邊緣的一維通道運動，并且只能做單向運動，不能返回，這相當(dāng)于建立了電子運動的“高速公路”，使其告別了雜亂無章的運動。量子霍爾效應(yīng)可以被用來實現(xiàn)無耗散低能耗高速電子器件，推動信息和能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對未來實現(xiàn)固體拓?fù)淞孔佑嬎愫托畔⑻幚淼母锩兄苯拥耐苿右饬x。然而，實現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)需要十萬高斯的強磁場（地磁場僅為0.5高斯），這樣苛刻的條件使得量子霍爾效應(yīng)的應(yīng)用遙不可及。于是，科學(xué)家們一直在尋找不需要外加磁場的量子霍爾效應(yīng)，即量子反常霍爾效應(yīng)。
薛其坤認(rèn)為，通過實驗驗證量子反常霍爾效應(yīng)，不但具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值，而且因為這是一個很有挑戰(zhàn)性的、非常精密的物理實驗，在從事該實驗研究的過程中，可以培養(yǎng)很多優(yōu)秀的年輕物理學(xué)家，成為人才培養(yǎng)的搖籃，實現(xiàn)清華“頂天、立地、樹人”的科研理念。
隨后，薛其坤重點講述了他所領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊4年時間里艱難的實驗歷程。薛其坤提到，他對自己的學(xué)生有一項要求，即每一個研究生每個月要交兩個報告，一是文獻(xiàn)閱讀報告，一是工作進(jìn)展報告。2008年10月，正是他的一位研究生在文獻(xiàn)閱讀報告里介紹了拓?fù)浣^緣體的概念以及相關(guān)研究成果，開啟了他們從事該領(lǐng)域研究的大門。而研究一旦開始，馬上就面臨了第一個瓶頸——最基本的材料問題。生長出高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體材料，是研究的第一步，世界各國的很多材料生長方面的頂尖專家都曾在該領(lǐng)域進(jìn)行嘗試，卻都沒有突破，所以，薛其坤決定要從實驗技術(shù)和方法上尋找新的切入點。
圖為朱邦芬院士向薛其坤頒發(fā)清華論壇演講銘牌。學(xué)生記者 王涵 攝
2009年4月起，薛其坤等就把研究工作的重心放在拓?fù)浣^緣體材料的生長動力學(xué)研究方面。憑借自己從事薄膜生長動力學(xué)系統(tǒng)研究20余年的經(jīng)驗，薛其坤帶領(lǐng)團(tuán)隊僅用三四個月的時間，就在國際上率先建立了拓?fù)浣^緣體薄膜的分子束外延生長動力學(xué)。薛其坤說，這一成果的取得，為后續(xù)研究奠定了最關(guān)鍵的基礎(chǔ)，也奠定了研究團(tuán)隊在國際學(xué)術(shù)界的地位。在此后的4年里，每年都有團(tuán)隊成員受邀在美國物理學(xué)會年會上作相關(guān)的研究報告。回顧這段研究歷程，薛其坤認(rèn)為：“實驗技術(shù)的發(fā)展很重要，學(xué)術(shù)的長期積累很重要。”
實驗接下來面臨的重要挑戰(zhàn)就是對材料質(zhì)量的要求，薛其坤解釋說，量子反常霍爾效應(yīng)對材料的要求包括三個方面，即材料必須具有鐵磁性從而存在反常霍爾效應(yīng)；材料的體內(nèi)必須絕緣從而對導(dǎo)電沒有任何貢獻(xiàn)；材料的電子結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦裕阂痪S導(dǎo)電通道。在實際的材料中實現(xiàn)以上任何一點都具有相當(dāng)大的難度，要同時滿足這三點更是一個巨大的挑戰(zhàn)，美國、德國、日本等國的科學(xué)家都未取得最后的成功。而在薛其坤的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊開始了非常艱難、曲折的實驗觀測歷程。3年多的時間里，團(tuán)隊生長和測量了超過1000個樣品，有20多位學(xué)生參與其中，使用過5套最精密的儀器，終于在2012年底得出最終數(shù)據(jù)，從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應(yīng)！“勤奮很重要，堅持不懈很重要，精誠的合作很重要。”薛其坤總結(jié)這一段研究經(jīng)歷時強調(diào)說。
在報告的最后，薛其坤總結(jié)說，課題組的討論、對材料的掌握、實驗技能和經(jīng)驗、勤奮、堅持、合作，以及經(jīng)費的投入都是自己所率領(lǐng)的這個研究團(tuán)隊取得成功的重要因素，而最后一點同樣重要的是，科學(xué)需要一點冒險的精神。
圖為清華論壇現(xiàn)場。學(xué)生記者 王涵 攝
在隨后的提問環(huán)節(jié)里，在場的師生們圍繞拓?fù)浣^緣體的特點、實驗過程中的具體工作、科研團(tuán)隊的組織、量子反常霍爾效應(yīng)的應(yīng)用、未來工作的展望等方面提出問題，薛其坤逐一回答了大家的問題。
此次演講是清華論壇第48講，清華大學(xué)物理系朱邦芬院士主持論壇。
薛其坤院士的主要研究方向為掃描隧道顯微學(xué)、表面物理、自旋電子學(xué)、拓?fù)浣^緣量子態(tài)和低維超導(dǎo)電性等。他發(fā)表文章330余篇，包括5篇《科學(xué)》（Science），7篇《自然》（Nature）子刊，1篇《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS），31篇《物理評論快報》（Physical Review Letters），被引用超過6000余次。在國際會議上應(yīng)邀做大會/主題/特邀報告100余次，其中四次在美國物理學(xué)會年會做邀請報告。曾獲中國科學(xué)院杰出科技成就獎（2005）、何梁何利科學(xué)與進(jìn)步獎（2006）、國家自然科學(xué)二等獎（2005、2011）、第三世界科學(xué)院物理獎（2010）、求是杰出科技成就集體獎（2011）、陳嘉庚科學(xué)獎（2012）等獎勵與榮譽。
2013年3月15日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜，清華大學(xué)物理系、中科院物理所和斯坦福大學(xué)的研究人員聯(lián)合組成的團(tuán)隊在量子反常霍爾效應(yīng)研究中取得的重大突破——在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體薄膜中，從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應(yīng)。《科學(xué)》雜志的三位匿名審稿人對該項成果都給予了高度評價。諾貝爾物理學(xué)獎得主、清華大學(xué)高等研究院名譽院長楊振寧評價該成果說：“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(xué)論文。”
編輯：冰 冰
