清華薛其坤領(lǐng)銜實(shí)驗(yàn)攻克量子世界制高點(diǎn)
發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，楊振寧稱(chēng)贊這是諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)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(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，清華大學(xué)薛其坤院士成為焦點(diǎn)人物——很多華人科學(xué)家和相熟的外國(guó)學(xué)者紛紛向他表示祝賀。在此三天前，由薛其坤領(lǐng)銜、清華大學(xué)物理系和中科院物理所聯(lián)合組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志在線發(fā)文，首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，這意味著量子霍爾效應(yīng)物理領(lǐng)域一個(gè)期待已久的重要現(xiàn)象已經(jīng)被中國(guó)科學(xué)家率先觀測(cè)到。
圖為薛其坤（右一）和研究生們討論實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。
4月10日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、清華大學(xué)高等研究院名譽(yù)院長(zhǎng)楊振寧表示：“這是第一次從中國(guó)實(shí)驗(yàn)室里發(fā)表的諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)論文。”
右圖為理想情況下量子反常霍爾效應(yīng)的行為，左圖為實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的數(shù)據(jù)，二者吻合得非常完美。
量子霍爾效應(yīng)在凝聚態(tài)物理中占據(jù)著極其重要的地位。整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這次中國(guó)科學(xué)家們首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的量子反常霍爾效應(yīng)，被認(rèn)為可能是量子霍爾效應(yīng)家族最后一個(gè)有待實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的成員。為了實(shí)現(xiàn)這一基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的重大突破，他們的團(tuán)隊(duì)花了整整四年時(shí)間。
科學(xué)家敏銳眼光鎖定至高目標(biāo)
量子反常霍爾效應(yīng)是一個(gè)全新的量子效應(yīng)，由于其存在不需要外加磁場(chǎng)，因此更具應(yīng)用前景，成為世界凝聚態(tài)物理學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。
2008年10月15日，薛其坤清楚地記得這個(gè)日子。在課題組例行的組會(huì)上，一名學(xué)生在做文獻(xiàn)交流時(shí)介紹了 拓?fù)浣^緣體的概念以及相關(guān)研究成果。從此，“拓?fù)浣^緣體”走入了薛其坤的視野。拓?fù)浣^緣體這個(gè)凝聚態(tài)物理中的新領(lǐng)域是由斯坦福大學(xué)的張首晟教授與來(lái)自美國(guó)和德國(guó)的另外兩位科學(xué)家共同開(kāi)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(shí)到，這是一個(gè)非常值得深入探究的領(lǐng)域。從那時(shí)起，他們就展開(kāi)了對(duì)拓?fù)浣^緣體中新奇量子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。在一年多的時(shí)間內(nèi)，他們與清華大學(xué)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?fù)浣^緣體的樣品生長(zhǎng)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(zhǔn)了更高更難的目標(biāo)：在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，也就是零磁場(chǎng)中的量子霍爾效應(yīng)。
量子反常霍爾效應(yīng)是一個(gè)全新的量子效應(yīng)，由于其存在不需要外加磁場(chǎng)，因此在應(yīng)用方面比此前發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)要方便得多，可以推動(dòng)新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，解決電腦發(fā)熱等問(wèn)題。因此從理論研究和實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，成為世界凝聚態(tài)物理學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。
圖為楊振寧先生在量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)成果新聞發(fā)布會(huì)上發(fā)表講話。研通社記者 王皓冉 攝
2006年，張首晟和他的學(xué)生們成功地預(yù)言了第一個(gè)拓?fù)浣^緣體，一年之后，這個(gè)奇妙的預(yù)言就被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了。從此拓?fù)浣^緣體這個(gè)領(lǐng)域就在全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展，成為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)研究中的主要方向。由于開(kāi)創(chuàng)拓?fù)浣^緣體這個(gè)領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，張首晟于2010年獲“歐洲物理獎(jiǎng)”，2012年獲美國(guó)物理學(xué)會(huì)“奧利弗· 巴克利獎(jiǎng)”（Oliver Buckley），這是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)。2012年他又獲得國(guó)際理論物理學(xué)最高獎(jiǎng)“狄拉克獎(jiǎng)”。2013年3月20日，“基礎(chǔ)物理學(xué)獎(jiǎng)”頒獎(jiǎng)盛典在瑞士日內(nèi)瓦舉行，該獎(jiǎng)被學(xué)界稱(chēng)為科學(xué)界的奧斯卡獎(jiǎng)，授獎(jiǎng)于著名理論物理學(xué)家霍金，并將物理學(xué)前沿獎(jiǎng)授予張首晟和他的同事們，表彰他們開(kāi)創(chuàng)拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)。2009年，張首晟成為清華大學(xué)高等研究院特聘教授，從此，他立志于將拓?fù)浣^緣體這個(gè)蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域帶入中國(guó)，并與薛其坤開(kāi)展了緊密合作。
圖為張首晟在量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)成果新聞發(fā)布會(huì)上發(fā)言。研通社記者 王皓冉 攝
當(dāng)時(shí)拓?fù)浣^緣體是建立在時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性的原理上，2008年，張首晟和清華大學(xué)高等研究院博士生祁曉亮提出，當(dāng)時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性被磁性破壞后，會(huì)出現(xiàn)奇妙的量子反常霍爾效應(yīng)，從此，磁性拓?fù)浣^緣體便成為實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的理想系統(tǒng)。2008年，清華大學(xué)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?fù)浣^緣體實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的基本機(jī)理。自旋能帶的反帶原理深刻影響了量子反常霍爾效應(yīng)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(shí)現(xiàn)磁性拓?fù)浣^緣體的方案，并做了具體的解析計(jì)算。該文章發(fā)表在《自然》雜志物理分刊上。五個(gè)月后，張首晟又與中科院物理所方忠、戴希開(kāi)展了緊密合作，通過(guò)第一性原理的數(shù)值計(jì)算，認(rèn)證了該系統(tǒng)乃是磁性拓?fù)浣^緣體，是實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的理想材料。該文章發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，引起了國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的廣泛關(guān)注。從此，一場(chǎng)轟轟烈烈的國(guó)際競(jìng)賽開(kāi)始了。
量子反常霍爾效應(yīng)意味著在零磁場(chǎng)中，霍爾電阻跳變到約25800歐姆的量子電阻值。要實(shí)現(xiàn)這一不可思議的量子現(xiàn)象，所需要的實(shí)驗(yàn)材料必須同時(shí)滿足三項(xiàng)非常苛刻的條件：材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦裕瑥亩哂袑?dǎo)電的一維邊緣態(tài)；材料必須具有長(zhǎng)程鐵磁序，從而存在反常霍爾效應(yīng)；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)，從而對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有任何貢獻(xiàn)。這就如同要求一個(gè)人同時(shí)具有短跑運(yùn)動(dòng)員的速度、籃球運(yùn)動(dòng)員的高度和體操運(yùn)動(dòng)員的靈巧，其難度可想而知。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)材料中要同時(shí)滿足這三點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來(lái)講是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)的一流科學(xué)家由于無(wú)法在材料中同時(shí)滿足這三點(diǎn)，而未取得最后的成功。
為了在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，薛其坤對(duì)團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行了合理分工。由于高質(zhì)量的材料是實(shí)現(xiàn)這一量子效應(yīng)的關(guān)鍵，薛其坤親自擔(dān)任樣品生長(zhǎng)的總負(fù)責(zé)，并指定馬旭村研究組的何珂帶領(lǐng)幾位研究生具體進(jìn)行。反常霍爾效應(yīng)測(cè)量則由清華大學(xué)物理系教授王亞愚負(fù)責(zé)。當(dāng)時(shí)何珂剛剛加入中科院物理所開(kāi)始工作，王亞愚在清華的輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)室也才搭建調(diào)試完不久。兩個(gè)年輕人對(duì)于能夠負(fù)責(zé)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(lái)很大壓力。“最開(kāi)始的時(shí)候不要說(shuō)量子化的反常霍爾效應(yīng)，就連這些材料在離開(kāi)超高真空的生長(zhǎng)環(huán)境后，能否獲得可靠的輸運(yùn)數(shù)據(jù)，我們都沒(méi)有把握。”王亞愚說(shuō)。“很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有什么好結(jié)果，我們都不太好意思見(jiàn)薛老師。”何珂回憶說(shuō)。然而，正是薛其坤團(tuán)隊(duì)在高質(zhì)量樣品生長(zhǎng)方面的深厚基礎(chǔ)，特別是薛其坤本人在樣品生長(zhǎng)關(guān)鍵技術(shù)方面的具體指導(dǎo)，使得他們?cè)诮⑼負(fù)浣^緣體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，最終克服了重重困難。
材料生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)奠定研究基礎(chǔ)
薛其坤團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先建立了拓?fù)浣^緣體薄膜的分子束外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，并長(zhǎng)出了高質(zhì)量的薄膜。從這一天起，他們就在世界上領(lǐng)先，并且一直將這個(gè)優(yōu)勢(shì)保持下去，直至最終得到完美的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
在拓?fù)浣^緣體研究初期，薛其坤就敏銳地意識(shí)到，拓?fù)浣^緣體材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)與自己長(zhǎng)期從事的砷化鎵研究有非常類(lèi)似的地方。于是，他迅速制定了實(shí)驗(yàn)方案——按照生長(zhǎng)砷化鎵的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先建立起拓?fù)浣^緣體材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。“實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)到這個(gè)方向之后，就進(jìn)入了我們比較擅長(zhǎng)的領(lǐng)域。”薛其坤說(shuō)。
材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)描述的是如何從一個(gè)個(gè)原子的反應(yīng)最后形成一個(gè)宏觀樣品的過(guò)程。只有掌握了材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，才能精確地控制材料的生長(zhǎng)。從1992年攻讀博士學(xué)位起，薛其坤就一直從事薄膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的系統(tǒng)研究，至今已經(jīng)累積了20余年的經(jīng)驗(yàn)，之前也已獲得兩項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。
在薛其坤的親自指導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)僅僅用三四個(gè)月的時(shí)間，就在國(guó)際上率先建立了拓?fù)浣^緣體薄膜的分子束外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品生長(zhǎng)過(guò)程在原子水平上的精確控制，使得薄膜樣品的質(zhì)量很快達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)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(kāi)。”薛其坤強(qiáng)調(diào)說(shuō)，“可以說(shuō)，從建立起這類(lèi)材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的這一天起，我們就奠定了在這項(xiàng)研究中的領(lǐng)先地位。”三維拓?fù)浣^緣體的理論預(yù)言和高質(zhì)量拓?fù)浣^緣體薄膜的分子束外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)及電子態(tài)研究等系列成果在國(guó)際學(xué)術(shù)界引起了廣泛影響，并以總選票排名第一的成績(jī)?nèi)脒x“2010年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。此外，團(tuán)隊(duì)成員還獲得了“求是基金會(huì)”的“求是杰出科學(xué)家獎(jiǎng)”和“求是杰出科技成就集體獎(jiǎng)”。
恰好在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，張首晟受聘清華大學(xué)，自此與薛其坤團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了緊密的合作研究。他們決定把研究的重點(diǎn)放在量子反常霍爾效應(yīng)上，因?yàn)檫@無(wú)疑是拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域最具影響力的工作。張首晟深厚的學(xué)術(shù)造詣、活躍的學(xué)術(shù)思想和堅(jiān)定執(zhí)著的學(xué)術(shù)態(tài)度為整個(gè)項(xiàng)目的順利實(shí)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(duì)高難度的實(shí)驗(yàn)，力求完美、追求極致的科學(xué)精神和緊密的團(tuán)隊(duì)合作讓他們跨越重重障礙，靠近勝利的彼岸。
雖然材料生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)這一關(guān)鍵問(wèn)題得以解決，但這并不意味著接下來(lái)的工作就是一片坦途。毫不例外的，實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)所需的三個(gè)苛刻條件帶來(lái)的種種難題他們也都遇到了。比如即使是高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體薄膜，也很難做到真正絕緣；另外在拓?fù)浣^緣體材料中實(shí)現(xiàn)自發(fā)鐵磁序也非常困難。
實(shí)驗(yàn)面臨的瓶頸數(shù)次讓整個(gè)團(tuán)隊(duì)感覺(jué)舉步維艱。然而他們沒(méi)有放棄，而是選擇獨(dú)辟蹊徑，最終找到了一條非常合理的技術(shù)路線，這在很大程度上得益于樣品生長(zhǎng)和輸運(yùn)測(cè)量研究組的緊密合作。團(tuán)隊(duì)成員幾乎每天都通過(guò)郵件和電話交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，每2~3周都會(huì)進(jìn)行一次充分討論，分析實(shí)驗(yàn)的所有細(xì)節(jié)，并制定下一步的詳盡計(jì)劃。“我們這些有不同專(zhuān)長(zhǎng)、不同性格、不同思路的研究人員為了一個(gè)共同的目標(biāo)而努力，互相交流，互相促進(jìn)，是取得成功的關(guān)鍵。如果我們都是相似的人，反而可能無(wú)法取得這樣的成就。”何珂說(shuō)。
“我們很幸運(yùn)有一批優(yōu)秀的研究生。”王亞愚說(shuō)，“他們不僅工作勤奮，而且由于思維沒(méi)有束縛，在研究過(guò)程中經(jīng)常會(huì)提出一些讓老師驚訝的奇思妙想。比如能帶結(jié)構(gòu)工程、柵極電壓調(diào)制、襯底制備、表面覆蓋層的選擇、微小器件的加工等實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟，都是學(xué)生們?cè)诰唧w工作和相互討論的過(guò)程中摸索出來(lái)的。我們和學(xué)生們是一起成長(zhǎng)的。”王亞愚說(shuō)。
薛其坤和張首晟等資深科學(xué)家在關(guān)鍵步驟上的敏銳直覺(jué)和精準(zhǔn)判斷，以及他們積極、自信、樂(lè)觀的態(tài)度也給予團(tuán)隊(duì)成員很大鼓勵(lì)。曾經(jīng)有一段時(shí)間，年輕的博士生們甚至覺(jué)得實(shí)驗(yàn)沒(méi)有任何希望。作為團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)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(jué)“渾身發(fā)熱”，干勁十足。此外，團(tuán)隊(duì)成員也與方忠、戴希、劉朝星、祁曉亮、段文暉、朱邦芬等理論學(xué)者開(kāi)展了緊密而愉快的合作，加快了實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)程。
在過(guò)去四年里，團(tuán)隊(duì)成員共生長(zhǎng)和測(cè)量了超過(guò)1000個(gè)樣品，并通過(guò)一次次的生長(zhǎng)、測(cè)量、反饋、調(diào)整，爭(zhēng)取每一步都做到極致。功夫不負(fù)有心人，每6~9個(gè)月，他們就會(huì)克服一個(gè)困難，一個(gè)個(gè)激動(dòng)人心的成果接踵而來(lái)。
2010年，他們完成了對(duì)1納米到6納米（頭發(fā)絲粗細(xì)的萬(wàn)分之一）厚度薄膜的生長(zhǎng)和輸運(yùn)測(cè)量，得到了系統(tǒng)的結(jié)果，從而使得準(zhǔn)二維拓?fù)浣^緣體的制備和輸運(yùn)測(cè)量成為可能。
2011年，他們實(shí)現(xiàn)了對(duì)拓?fù)浣^緣體能帶結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，使其成為真正的絕緣體，去除了體內(nèi)電子對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響。
2011年底，他們?cè)跍?zhǔn)二維、體絕緣的拓?fù)浣^緣體中實(shí)現(xiàn)了自發(fā)長(zhǎng)程鐵磁性，并利用外加?xùn)艠O電壓對(duì)其電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原位精密調(diào)控。
就這樣，量子反常霍爾效應(yīng)所需要實(shí)驗(yàn)材料的三個(gè)苛刻條件終于實(shí)現(xiàn)了！
2012年3月，團(tuán)隊(duì)成員不經(jīng)意間觀察到反常霍爾電阻值竟達(dá)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(gè)細(xì)節(jié)全面優(yōu)化生長(zhǎng)測(cè)量條件，一步一步接近奇跡出現(xiàn)的時(shí)刻。
四年努力見(jiàn)證奇跡的時(shí)刻
團(tuán)隊(duì)成員利用分子束外延生長(zhǎng)了高質(zhì)量的磁性摻雜拓?fù)浣^緣體薄膜，并在極低溫下對(duì)其磁阻和霍爾效應(yīng)進(jìn)行了精密測(cè)量。他們發(fā)現(xiàn)在一定的柵極電壓范圍內(nèi)，材料在零磁場(chǎng)中的反常霍爾電阻達(dá)到量子電阻的數(shù)值并形成一個(gè)平臺(tái)，同時(shí)縱向電阻急劇降低并趨近于零，這是量子化反常霍爾效應(yīng)的特征性行為。
2012年10月的一個(gè)晚上，薛其坤收到學(xué)生的短信：他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了量子反常霍爾效應(yīng)的跡象！回憶起那一刻，薛其坤依然清晰記得當(dāng)時(shí)的激動(dòng)。當(dāng)晚薛其坤立即組織團(tuán)隊(duì)人員，設(shè)計(jì)出幾套方案，部署好了下一步的實(shí)驗(yàn)，特別是和中科院物理所呂力研究組合作，將實(shí)驗(yàn)推進(jìn)到接近絕對(duì)零度的極低溫。
接下來(lái)的幾天里，團(tuán)隊(duì)成員們用“誠(chéng)惶誠(chéng)恐”形容自己的心情。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神告訴他們，一次的結(jié)果并不能說(shuō)明問(wèn)題，他們需要用不同的樣品多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。25800歐姆，所有人都在期待這個(gè)標(biāo)志性的數(shù)值，然而沒(méi)有人知道神秘的微觀世界究竟會(huì)發(fā)生什么。之前一直沒(méi)有做到25800這個(gè)數(shù)值，但是現(xiàn)在如果超過(guò)了怎么辦？
數(shù)據(jù)不停地跳動(dòng)著，10000、20000、25800！數(shù)據(jù)停住了！材料在零磁場(chǎng)中的反常霍爾電阻達(dá)到量子電阻（h/e2 ~ 25800歐姆）的數(shù)值并形成一個(gè)平臺(tái)，同時(shí)縱向電阻急劇降低并趨近于零，這是量子化反常霍爾效應(yīng)的特征性行為！歷史將這一時(shí)刻定格，在美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1880年發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)133年后，人類(lèi)終于實(shí)現(xiàn)了其量子化！實(shí)驗(yàn)結(jié)果如此干凈漂亮，數(shù)據(jù)完美得不可思議，每位成員都在由衷地感嘆：“這真是見(jiàn)證奇跡的時(shí)刻！”
得出最終數(shù)據(jù)的那天，薛其坤帶了兩瓶香檳酒，團(tuán)隊(duì)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(wú)數(shù)個(gè)不眠之夜，功夫終不負(fù)有心人。
中國(guó)優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)向世界“亮劍”
量子反常霍爾效應(yīng)這個(gè)重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)證明，中國(guó)科學(xué)家的科學(xué)素養(yǎng)、研究水平和對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的掌握，已經(jīng)與國(guó)際先進(jìn)水平接軌。在中國(guó)加大投入基礎(chǔ)科學(xué)研究20年后，中國(guó)科學(xué)界已經(jīng)具備一批國(guó)際水平的科學(xué)家向世界科學(xué)領(lǐng)域“亮劍”。
薛其坤強(qiáng)調(diào)，真正的科學(xué)發(fā)現(xiàn)是為人類(lèi)增加新知識(shí)，所以研究需要很長(zhǎng)的過(guò)程，需要多年專(zhuān)業(yè)的訓(xùn)練和積累，也需要一批經(jīng)過(guò)嚴(yán)格訓(xùn)練的專(zhuān)業(yè)選手來(lái)攻關(guān)。“在原子的尺度上控制薄膜的生長(zhǎng)，我們有20年的經(jīng)驗(yàn)積累，厚積薄發(fā)，才能邁出量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)最核心的一步。”他說(shuō)。
“重大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是對(duì)人類(lèi)智慧的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，這對(duì)研究團(tuán)隊(duì)的科研素養(yǎng)和積累，以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平的要求都非常高。我們的團(tuán)隊(duì)成員在各自的領(lǐng)域都是一流的‘專(zhuān)業(yè)選手’，我們的研究團(tuán)隊(duì)具備了國(guó)際領(lǐng)先水平。”薛其坤說(shuō)。他強(qiáng)調(diào)，這在很大程度上得益于最近20年中國(guó)對(duì)基礎(chǔ)研究的重視和大力投入。2005年~2007年，時(shí)任清華大學(xué)物理系主任的朱邦芬院士先后引進(jìn)薛其坤、陳曦和王亞愚三位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，并通過(guò)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(lǐng)導(dǎo)的表面物理研究組和呂力領(lǐng)導(dǎo)的極低溫輸運(yùn)研究組提供了大力支持。科學(xué)家們每個(gè)人都在各自的領(lǐng)域做到了世界領(lǐng)先水平，并緊密合作，最終做出了量子反常霍爾效應(yīng)這樣的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
“這項(xiàng)成果是我們團(tuán)隊(duì)精誠(chéng)合作、聯(lián)合攻關(guān)的共同成果，是中國(guó)科學(xué)家的集體榮譽(yù)。”薛其坤、張首晟、方忠等都著重強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。
現(xiàn)在，這個(gè)誕生于中國(guó)本土的優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)仍然在為量子反常霍爾效應(yīng)的應(yīng)用前景奮斗著。薛其坤表示：“任何一個(gè)現(xiàn)象從原理性的發(fā)現(xiàn)走到應(yīng)用，都需要不同領(lǐng)域科學(xué)家和工業(yè)界的共同努力，我們也會(huì)與更多的人合作，努力將這個(gè)領(lǐng)域發(fā)揚(yáng)光大，不斷推動(dòng)它向應(yīng)用方向發(fā)展。”
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楊振寧：這是諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的論文
由我校薛其坤院士領(lǐng)銜、我校物理系和中科院物理所聯(lián)合組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)上首次發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，在國(guó)際物理學(xué)界引起巨大反響。4月10日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、清華大學(xué)高等研究院名譽(yù)院長(zhǎng)楊振寧在談起這項(xiàng)成果時(shí)稱(chēng)贊道：“這是第一次從中國(guó)實(shí)驗(yàn)室里發(fā)表的諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)論文！”
楊振寧強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“有一件事情，我覺(jué)得很值得思考和研究。搶做量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)至今為止已有四年，全世界很多實(shí)驗(yàn)室都在向這方面進(jìn)軍。但是為什么他們都沒(méi)有成功，而只有清華大學(xué)跟中科院物理所的合作取得了突破？我想，這是與中國(guó)整個(gè)科研系統(tǒng)的體制，以及中國(guó)傳統(tǒng)的人文關(guān)系等密切相關(guān)。這一點(diǎn)我覺(jué)得很值得總結(jié)研討。”
“諾貝爾獎(jiǎng)已經(jīng)有一百多年的歷史了，沒(méi)有具體定義說(shuō)明到底什么樣的工作是諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的。不過(guò)在所有物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的研究團(tuán)隊(duì)里，多多少少有一個(gè)共識(shí)，知道哪樣的工作可能會(huì)得諾貝爾獎(jiǎng)。像我們今天討論的這個(gè)工作，我相信，99%在前沿物理學(xué)做研究的人，都會(huì)同意這是諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的成果。”楊振寧肯定地說(shuō)，“過(guò)去人們總認(rèn)為中國(guó)人不擅長(zhǎng)做實(shí)驗(yàn)，仿佛只會(huì)搞理論。其實(shí)當(dāng)今中國(guó)已經(jīng)有世界一流的實(shí)驗(yàn)室，加上中國(guó)人的勤奮努力和團(tuán)隊(duì)的合作精神，我們是能夠做出一流實(shí)驗(yàn)的。”
張首晟：為量子霍爾效應(yīng)畫(huà)上最美句號(hào)
“量子反常霍爾效應(yīng)是繼拓?fù)浣^緣體發(fā)現(xiàn)之后一個(gè)非常崇高的里程碑。”張首晟說(shuō)。
張首晟指出：“自1930年前后發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)基本原理，奠定了半導(dǎo)體發(fā)展的基礎(chǔ)之后，芯片上的三極管每18個(gè)月就翻一倍，散發(fā)出來(lái)的熱量也隨之增倍，這使得信息社會(huì)陷入一場(chǎng)非常嚴(yán)重的危機(jī)。但對(duì)我們科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是‘危’更是‘機(jī)’，特別是對(duì)于中國(guó)的科學(xué)家來(lái)說(shuō)。如果我們抓住機(jī)遇大膽創(chuàng)新，就完全可以跳躍式地走在世界科學(xué)領(lǐng)域的前列，從‘追隨者’成長(zhǎng)為‘引領(lǐng)者’，這個(gè)意義是非常深刻的。因此，我們的科學(xué)家一定要抓住這個(gè)下一代信息革命的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。”
張首晟說(shuō)：“霍爾效應(yīng)系列的確是一個(gè)金礦。在過(guò)去的一百多年里，繼美國(guó)科學(xué)家霍爾分別于1879年和1880年發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)后，整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者分別獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2006年~2007年，我們預(yù)言并證實(shí)了量子自旋霍爾效應(yīng)和拓?fù)浣^緣體，我也非常榮幸地被授予2010年“歐洲物理獎(jiǎng)”。2012年獲得美國(guó)物理學(xué)會(huì)“奧利弗· 巴克利獎(jiǎng)”，這是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)。2012年榮獲“狄拉克獎(jiǎng)”，是國(guó)際理論物理學(xué)最高獎(jiǎng)。2013年3月20日，“基礎(chǔ)物理學(xué)獎(jiǎng)”頒獎(jiǎng)盛典在瑞士日內(nèi)瓦舉行，該獎(jiǎng)被學(xué)界稱(chēng)為科學(xué)界的奧斯卡獎(jiǎng)，授獎(jiǎng)于著名理論物理學(xué)家霍金，并將物理學(xué)前沿獎(jiǎng)授予我和我的同事們，表彰我們開(kāi)創(chuàng)拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)。此次由中國(guó)科研人員發(fā)現(xiàn)的量子反常霍爾效應(yīng)是霍爾效應(yīng)系列的最后一個(gè)重要成員，它的發(fā)現(xiàn)將為這張‘周期表’畫(huà)上一個(gè)最美的、最重的句號(hào)，或?qū)⒓铀偻七M(jìn)信息技術(shù)革命的進(jìn)程。”
（清華新聞網(wǎng)4月12日電）
編輯：欣研
