[焦點訪談]“反常”的奇跡
來源：焦點訪談 2013-4-13
最近在科學(xué)界有個大事值得和大家分享，這就是我國科學(xué)家在實驗中首次觀測到量子反常霍爾效應(yīng)。這是個什么樣的發(fā)現(xiàn)呢？著名的諾貝爾物理學(xué)獎曾經(jīng)三次頒給這個研究領(lǐng)域的科學(xué)家，所以楊振寧評價這是一個“諾貝爾獎級別”的科學(xué)成果。這么一個相當(dāng)專業(yè)的研究，和我們的生活有什么樣的關(guān)系，又有什么樣的意義呢？
這個實驗是由薛其坤院士領(lǐng)導(dǎo)的由清華大學(xué)、中科院物理所和斯坦福大學(xué)研究人員聯(lián)合組成的團隊共同完成的。那么到底什么是量子反常霍爾效應(yīng)呢？這要從什么是量子霍爾效應(yīng)說起。
清華大學(xué)物理系教授 王亞愚：您可以看，如果這是一個一般的金屬材料或者半導(dǎo)體材料，那么里面電子的運動是非常無序的，它們雜亂無章、互相碰撞，那么這個就引起電子器件的速度降低，而且會能耗增大，會發(fā)熱。這時候如果我們加一個強磁場，非常強的磁場，你可以看這是強磁場，這時候電子運動就變得有規(guī)律了，它們在材料的兩端，像高速公路上的汽車一樣，這么反向運動，那么這時候呢，電子運動速度就變快了，能耗降低了，這是一個量子霍爾效應(yīng)態(tài)。
霍爾效應(yīng)是一個叫霍爾的美國科學(xué)家在100多年前發(fā)現(xiàn)的，是電磁效應(yīng)的一種，在霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)100年后，德國物理學(xué)家馮•克利青等發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)就是在外力的作用下，可以讓這些電子有規(guī)律地運動。后來科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)，在外力的作用下，電子還可以像高速路上跑的汽車一樣，分不同方向和不同車道運動。這樣一來就可以減少電子的碰撞，避免發(fā)熱和能量損耗。從而解決信息技術(shù)遇到的瓶頸問題。但是，要讓電子有規(guī)律地運動，讓它們向著一個方向移動，需要很強的磁場。
清華大學(xué)物理系教授 王亞愚：你可以看看這個磁場需要多大呢？這是我們實驗用到的一個強磁場，實際上這個磁場還不夠強，那么你可以看到一人高，造價非常昂貴，運行起來也非常麻煩，所以如果我們有一個小的電子器件，用這樣的磁場來達(dá)到我們剛才說的量子霍爾效應(yīng)態(tài)的話，很顯然在實際應(yīng)用中是不現(xiàn)實的。
如果說需要磁場才能實現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)是平常霍爾效應(yīng)，科學(xué)家們就把不需要磁場的量子霍爾效應(yīng)，稱為反常霍爾效應(yīng)。許多科學(xué)家提出了各種方案，但是在實驗上，都沒有取得任何進(jìn)展。也許，科學(xué)家就是不斷做夢，并且不斷將夢想變成現(xiàn)實的人。
2006年，美國斯坦福大學(xué)的張首晟教授，他領(lǐng)導(dǎo)的小組提出了一個新的材料，成功地預(yù)言了第一個拓?fù)浣^緣體，2008年他們又提出一個，在這種拓?fù)浣^緣體中實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的新思路。
美國斯坦福大學(xué)教授 張首晟：我在斯坦福大學(xué)的一個團隊，在理論上探討，感到在這個體系里面，就是在磁性的拓?fù)浣^緣體這個體系里面，有可能實現(xiàn)這么一個（讓電子）按照高速公路工作的原理。
在此前理論工作的基礎(chǔ)上，2010年，中科院物理所的理論物理學(xué)家方忠和戴希與張首晟教授合作，提出了一個實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的更好的材料體系。當(dāng)時這個新的材料體系引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。德國、美國、日本等地的科學(xué)家都沿著這個思路在實驗上苦苦尋找，但一直沒有取得突破。同樣在苦苦尋找的還有中國的科學(xué)家。
薛其坤院士從2008年開始就組建團隊和中科院物理所的團隊一起尋找那個讓人實現(xiàn)夢想的材料。
清華大學(xué)物理系主任 中國科學(xué)院院士 薛其坤：我們第一步要解決的問題首先就是材料問題，因為要實現(xiàn)這個效應(yīng)，對材料的要求非常高。那么我們對雜質(zhì)的控制，一百萬個原子中，只能有一個雜質(zhì)原子。那么這在實驗上來講，盡管我們的實驗技術(shù)條件非常好，但是要達(dá)到這樣一個狀態(tài)還是非常困難的。
這個小小的東西就是做實驗的材料，它的計算單位精確到原子水平。從2008年開始到現(xiàn)在，薛其坤院士的團隊先后有20多人參加，經(jīng)歷了1000多個日日夜夜，制作了1000多個這樣的實驗材料，終于在2012年的一天有了好消息，這一天是2012年10月12日。
美國斯坦福大學(xué)教授 張首晟：這可能是我們兩個人人生當(dāng)中最最喜悅的那一天，在發(fā)現(xiàn)的那一時刻，使得我們看到我們這種深刻的一種信念，在大自然里面果然是被實現(xiàn)了，所以這種感受是科學(xué)家最最大的一個回報。
經(jīng)過進(jìn)一步的實驗和驗證，2012年12月20日他們向《科學(xué)》雜志提交了關(guān)于量子反常霍爾效應(yīng)的論文。經(jīng)過《科學(xué)》雜志三位權(quán)威專家審評后，這篇論文在2013年3月15日正式發(fā)表。
著名物理學(xué)家 諾貝爾獎獲得者 楊振寧：我認(rèn)為這一次的成功，是從中國的實驗室里頭所發(fā)表的第一次諾貝爾獎級的物理學(xué)論文。
說到明星，我們現(xiàn)在就來看看之前因為在這個研究領(lǐng)域而閃耀的科學(xué)巨星們，他們都獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。來看一看：1985年的德國科學(xué)家馮•克利青；1998年的美籍華人物理學(xué)家崔琦和他的合作伙伴施特默、勞克林；以及2010年的英國科學(xué)家安德烈•海姆和康斯坦丁•諾沃肖洛夫。
今天中國科學(xué)家又向前邁出了一大步，站在了這個研究領(lǐng)域的制高點。但現(xiàn)在這個實驗還是在零下270攝氏度的絕對低溫條件下進(jìn)行的，距離實際應(yīng)用還有很長的路要走。他們還要繼續(xù)探索，尋找一個在常溫下就能實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的實驗材料。那么他們是如何站到目前這樣一個制高點上的呢，我們還將關(guān)注。
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