清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所聯(lián)合組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)
“這是一個(gè)諾獎(jiǎng)級(jí)的發(fā)現(xiàn)”
來(lái)源：光明日?qǐng)?bào) 2013-4-11 鄧暉 齊芳
6個(gè)月前的一天，學(xué)生的一條短信，讓清華大學(xué)薛其坤院士經(jīng)歷了人生中最為激動(dòng)的一刻。3天后，與薛其坤在美國(guó)的碰面，也讓斯坦福大學(xué)教授、清華大學(xué)教授張首晟同樣迎來(lái)了他“此生最難忘的一天”，當(dāng)天，薛其坤興奮地告訴他一則“驚人”的消息。
6個(gè)月后的今天，清華園春意初現(xiàn)。薛其坤登上講臺(tái)，謙和一笑，在學(xué)界前輩楊振寧、朱邦芬和同行及媒體人期待的目光中，以一句“真不知道從何說(shuō)起……”揭開(kāi)那令人激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)。
這真是一個(gè)令中國(guó)科學(xué)界都為之振奮的重大發(fā)現(xiàn)——由清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所聯(lián)合組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體薄膜中，從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)，這也證實(shí)了此前中科院物理研究所與斯坦福大學(xué)理論團(tuán)隊(duì)的預(yù)言。
而在此前，這份研究報(bào)告在《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)表，被3名匿名評(píng)審人給予高度評(píng)價(jià)。（詳見(jiàn)本報(bào)3月16日教科文新聞版報(bào)道）3月18日的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，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)者都為發(fā)現(xiàn)這一“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”向他表示祝賀。
“這是第一次從中國(guó)科學(xué)家自己的實(shí)驗(yàn)室里得到了諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的重大發(fā)現(xiàn)。”今天的發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者楊振寧先生說(shuō)，“今天這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，不僅是科學(xué)界的喜事，更是整個(gè)國(guó)家的喜事。”
假想獲得驗(yàn)證 一次向奇跡的完美沖擊
“我們做理論的，總為幫不上實(shí)驗(yàn)的忙而焦急。但我始終記得楊振寧先生的教導(dǎo)，最美的數(shù)學(xué)框架和理論概念總能在大自然中得到驗(yàn)證。”在今天的發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，張首晟說(shuō)。
正是量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，讓他體會(huì)到了假想獲得驗(yàn)證的歡欣。
2008年10月15日，薛其坤院士清楚地記得這個(gè)日子，在課題組的例行組會(huì)上，學(xué)生介紹了由張首晟教授與來(lái)自美國(guó)和德國(guó)的另外兩位科學(xué)家共同開(kāi)創(chuàng)的拓?fù)浣^緣體概念以及相關(guān)研究成果。從那時(shí)起，薛其坤和張首晟就展開(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)，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)。
2006年，張首晟教授在理論上預(yù)言了第一個(gè)二維拓?fù)浣^緣體，并很快被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。此后，他把這個(gè)新領(lǐng)域引入中國(guó)，開(kāi)始與中科院物理所的方忠和戴希兩位計(jì)算物理方面的國(guó)際知名專(zhuān)家展開(kāi)廣泛合作，共同預(yù)言了以Bi2Te3和Bi2Se3為代表的一類(lèi)新型三維拓?fù)浣^緣體。2008年，張首晟教授和當(dāng)時(shí)清華高研中心的兩位研究生祁曉亮、劉朝星一起提出在磁性摻雜拓?fù)浣^緣體中實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的理論構(gòu)思。2010年方忠、戴希等與張首晟合作，提出磁性摻雜的Bi2Se3等新型拓?fù)浣^緣體是實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的理想體系。理論預(yù)言是否正確需要實(shí)驗(yàn)證明，從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)也成為世界許多科學(xué)家的奮斗目標(biāo)。
苛刻條件一一實(shí)現(xiàn) 向奇跡步步逼近
在拓?fù)浣^緣體研究的初期，薛其坤就敏銳意識(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)。
在薛其坤的親自指導(dǎo)下，清華大學(xué)和中科院物理所組成的團(tuán)隊(duì)僅用3、4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，使薄膜樣品的質(zhì)量很快達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
“這是最重要的一步，邁出這一步，后面工作才能順利展開(kāi)。可以說(shuō)就是從建立起這類(lèi)材料生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的這一天起，我們奠定了在這項(xiàng)研究中的領(lǐng)先地位”，薛其坤強(qiáng)調(diào)。正在此時(shí)，張首晟受聘清華大學(xué)，自此與薛其坤團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了緊密合作。
雖然材料生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)這一關(guān)鍵問(wèn)題得以解決，但實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)所需條件帶來(lái)的種種難題還是讓實(shí)驗(yàn)面臨瓶頸。
挑戰(zhàn)面前，他們選擇獨(dú)辟蹊徑，最終找到了一條現(xiàn)在看來(lái)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)，制定詳盡的下一步計(jì)劃。
“我們很幸運(yùn)有一批優(yōu)秀的研究生”，團(tuán)隊(duì)成員、清華大學(xué)物理系教授王亞愚說(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。在這個(gè)研究過(guò)程中，我們和學(xué)生是一起成長(zhǎng)的。”
就這樣，團(tuán)隊(duì)成員在過(guò)去的四年時(shí)間里共生長(zhǎng)和測(cè)量了超過(guò)1000個(gè)樣品，每一次的生長(zhǎng)、測(cè)量、反饋、調(diào)整都爭(zhēng)取做到極致。功夫不負(fù)有心人，每半年到九個(gè)月，他們就會(huì)克服一個(gè)困難，向前跳一級(jí)。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（相當(dāng)于頭發(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)結(jié)果，從而使準(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)行原位精密調(diào)控。
量子反常霍爾效應(yīng)所需要實(shí)驗(yàn)材料的三個(gè)苛刻條件終于被實(shí)現(xiàn)了。
2012年3月份，堅(jiān)持不懈的團(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。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。
見(jiàn)證奇跡 中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的榮譽(yù)
2012年10月的一個(gè)晚上，薛其坤教授收到學(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。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，部署下一步實(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)幾天，團(tuán)隊(duì)成員用“誠(chéng)惶誠(chéng)恐”形容自己的心情。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神面前，一次結(jié)果并不能說(shuō)明問(wèn)題，他們需要用不同的樣品做多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行著，25800歐姆，所有人期待著這個(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，之前一直做不到25800這個(gè)數(shù)值，然而現(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，讓每位成員都感嘆“真是見(jiàn)證奇跡的時(shí)刻”。
“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、對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平要求非常高。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’，研究團(tuán)隊(duì)具備了國(guó)際領(lǐng)先的水平。”薛其坤說(shuō)，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。“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)用前景而奮斗著。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)域的科學(xué)家和工業(yè)界的共同努力，我們也會(huì)與更多的人合作將這個(gè)領(lǐng)域發(fā)揚(yáng)光大，推動(dòng)它向應(yīng)用的方向發(fā)展。”
