1月8日上午，人民大會堂,。清華大學(xué)副校長,、物理系薛其坤院士走上主席臺，接過了國家自然科學(xué)一等獎的獲獎證書。獲獎項目的名稱是“量子反常霍爾效應(yīng)的實驗發(fā)現(xiàn)”，而此時,，距離2013年他所領(lǐng)導(dǎo)的團隊首次發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)并將成果發(fā)布在《科學(xué)》（Science）雜志上,，已經(jīng)過去近6年的時間,。10多年來，他們的科研生涯與量子反?；魻栃?yīng)結(jié)下了不解之緣,。
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緣起
25813歐姆,，是量子反?；魻栃?yīng)實現(xiàn)的標(biāo)志。在零磁場下,，當(dāng)霍爾電阻跳變到約25813歐姆的量子電阻平臺時,，這種量子現(xiàn)象就稱為量子反常霍爾效應(yīng),。130多年前,，美國物理學(xué)家霍爾先后發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng),，如今汽車?yán)锏暮芏鄠鞲衅鞫蓟诨魻栃?yīng),。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)的實驗發(fā)現(xiàn)分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。量子反?；魻栃?yīng)由于其存在不需要外加磁場,，因此比此前發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)在應(yīng)用方面要方便得多，從實驗上實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng),，成為凝聚態(tài)物理學(xué)家關(guān)注的焦點和科學(xué)難題。
突破的契機出現(xiàn)于2006年,，美國斯坦福大學(xué)教授,、清華大學(xué)高等研究院特聘教授張首晟領(lǐng)導(dǎo)的團隊成功地預(yù)言了一類叫拓?fù)浣^緣體的材料，并在2008年與清華大學(xué),、中科院物理所的合作伙伴們一起提出了在拓?fù)浣^緣體中引入磁性將有可能實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的理論。
凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)一直是薛其坤的研究領(lǐng)域,。拓?fù)浣^緣體是一種神奇的材料,，它的神奇之處在于內(nèi)部絕緣，表面卻可以導(dǎo)電,。2008年10月15日,，薛其坤在課題組例行組會上聽到博士生李耀義在文獻交流時介紹了拓?fù)浣^緣體的概念以及相關(guān)研究成果。與學(xué)生們進一步討論后,，薛其坤決定開始拓?fù)浣^緣體研究，決定通過實驗來驗證假說,。
“盡管前期我們已經(jīng)建立了很好的基礎(chǔ),，但量子反常霍爾效應(yīng)的實驗條件非?？量?，實現(xiàn)非常困難?！毖芯繄F隊成員,、清華大學(xué)物理系何珂教授介紹，量子反?；魻栃?yīng)能夠出現(xiàn)的材料需要同時滿足三個條件：材料的電子結(jié)構(gòu)必須具有獨特的拓?fù)涮匦?；材料必須具有長程鐵磁序；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而對導(dǎo)電沒有任何貢獻,。
實現(xiàn)條件苛刻,，但其未來應(yīng)用的潛力卻很大。研究團隊介紹,，量子反?；魻栃?yīng)在低能耗的電子元器件應(yīng)用領(lǐng)域可能發(fā)揮重要作用,。目前如二極管、導(dǎo)線等電子元器件因為通電流,、發(fā)熱,，一部分電阻耗費的能量會轉(zhuǎn)化為熱量，但在呈現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的材料中,，電子可以像地鐵一樣沿著一條通道運動，不會發(fā)熱和損耗能量,。
量子反?；魻栃?yīng)實驗中，研究團隊分成兩組,，一組專門負(fù)責(zé)生長出符合實驗條件的樣品,，另一組負(fù)責(zé)測量樣品的性質(zhì)和物理效應(yīng)。高質(zhì)量的材料是實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的關(guān)鍵,，薛其坤親自擔(dān)任樣品生長的總負(fù)責(zé)，并安排馬旭村教授和何珂教授帶領(lǐng)幾位研究生具體進行,，測量工作則由物理系王亞愚教授負(fù)責(zé),。
“當(dāng)時沒有想過能不能成功，就想要試一試,?！蹦菚r，馬旭村研究組的何珂才剛剛回國參加工作,，王亞愚的輸運實驗室也剛剛搭建調(diào)試完畢,，兩個年輕人就在興奮、忐忑以及對未來的憧憬中開始了實驗,。
困頓
“理論物理學(xué)家預(yù)言的一個假說,，往往需要實驗物理學(xué)家長時間的實驗去驗證?！蓖鮼営拚f,。在研究團隊的眼里，發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的過程是一個遇到困難,，不斷克服困難的“升級打怪”的過程。
團隊的實驗室仿佛一個科幻世界,，復(fù)雜的管線連接銀白色錫紙裹著的不銹鋼腔體,，就在這些金屬腔體中，原子飛行,、凝聚,、慢慢形成具有特殊性質(zhì)的物質(zhì),。這些儀器被稱為分子束外延，內(nèi)部處于接近月球表面的超高真空狀態(tài),。進入實驗室的人需要非常小心,，避免碰到工作中的儀器，否則有可能會讓他們幾天的工作前功盡棄,。
“實驗得非常謹(jǐn)慎,。”本科畢業(yè)后選擇直博的馮硝進實驗室后學(xué)了一年操作,，“因為儀器很復(fù)雜”,，馮硝說，儀器上的一個小配件碰壞了,，都有可能導(dǎo)致整個儀器癱瘓,，如果損壞的零配件自己無法修復(fù)，在國內(nèi)又無法買到,，就需要耗費幾個月時間從國外進貨,。
馮硝當(dāng)時和師兄常翠祖跟隨何珂負(fù)責(zé)拓?fù)浣^緣體材料的生長。在拓?fù)浣^緣體研究初期,，薛其坤就敏銳意識到,，拓?fù)浣^緣體材料的生長動力學(xué)與自己長期從事的砷化鎵研究類似。于是,，他按照生長砷化鎵的方法,，安排現(xiàn)在已經(jīng)調(diào)到上海交通大學(xué)的賈金鋒具體帶領(lǐng)研究生研究、建立拓?fù)浣^緣體材料的生長動力學(xué),。
材料的生長動力學(xué)描述的是一個個原子反應(yīng)后形成一個宏觀晶體的過程,。掌握了材料的生長動力學(xué)，才能精確控制材料生長,。從1992年攻讀博士學(xué)位起，薛其坤就一直從事薄膜生長動力學(xué)的系統(tǒng)研究,，累積了20余年的經(jīng)驗,。他曾因相關(guān)的研究兩次獲得國家自然科學(xué)二等獎。
在薛其坤的指導(dǎo)下,，賈金鋒帶領(lǐng)李耀義等研究生們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)，實現(xiàn)了對樣品生長過程在原子水平上的精確控制,，薄膜樣品的質(zhì)量達到了國際領(lǐng)先水平,。“這是關(guān)鍵的一步,，邁出了這一步,，后面的工作才能順利展開,。可以說就是從建立起這類材料的生長動力學(xué)的這一天起,，我們就奠定了在這項研究中的領(lǐng)先地位,。”薛其坤強調(diào),。隨后,，他又部署陳曦帶領(lǐng)張童、程鵬等研究了拓?fù)浣^緣體薄膜的若干量子特性,，結(jié)果與理論符合的出奇好,，這進一步增強了他們團隊的信心。
此后兩年多,，在常翠祖,、張金松、馮硝等的努力下,，研究不斷取得階段性進展：
2010年,，完成對1納米到6納米（頭發(fā)絲粗細(xì)的萬分之一）厚度薄膜的生長和輸運測量，得到系統(tǒng)的結(jié)果,，從而使準(zhǔn)二維拓?fù)浣^緣體的制備和輸運測量成為可能,；
2011年，實現(xiàn)對拓?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)電子對輸運性質(zhì)的影響；
2011年底,，在準(zhǔn)二維,、體絕緣的拓?fù)浣^緣體中實現(xiàn)了自發(fā)長程鐵磁性，并利用外加?xùn)艠O電壓對其電子結(jié)構(gòu)進行原位精密調(diào)控,。
但此后,，研究工作陷入了停滯不前的狀態(tài)……
“從理論來看，當(dāng)時我們能想到的所有問題似乎都解決了,，但是實驗結(jié)果離最終的成功還非常遙遠(yuǎn),。”回憶起2012年初最困難的時光,，何珂說,，那段時間大家都很焦慮，壓力很大,，“因為研究時間比較長,，付出了很多努力，非常擔(dān)心研究就此停滯不前”。
“后來發(fā)現(xiàn)即使?jié)M足了量子反?；魻栃?yīng)發(fā)生材料的三個條件,，但材料的各個參數(shù)需要在微妙的平衡下，才有可能出現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng),。”馮硝解釋,，實驗有很多參數(shù),，不同參數(shù)間排列組合會產(chǎn)生無數(shù)可能，最后就沉溺于這些可能性的探索中,，甚至當(dāng)實驗結(jié)果不符預(yù)期時,，也很難判斷究竟是哪些地方存在問題。
“科學(xué)發(fā)現(xiàn)可以是偶然的,，但是為科學(xué)發(fā)現(xiàn)作出準(zhǔn)備是必然的,。”薛其坤看到了這一切,，把大家召集在一起,，一番熱情洋溢的講話后，一位博士生形容自己“渾身發(fā)熱”,、干勁十足,。薛其坤心里非常篤定，要想完成科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn),，那就得在嚴(yán)謹(jǐn),、重復(fù)的基礎(chǔ)上努力。
突破
突破來源于一次偶然的嘗試,。
以往的實驗中,，研究團隊擔(dān)心幾納米厚的拓?fù)浣^緣體材料被破壞，所以會設(shè)置一個襯底和一個保護層,，并不斷優(yōu)化,。“優(yōu)化完襯底后就有一個明顯提升,，但后來又到了平臺期,。”感覺自己無路可走的馮硝決定反其道而行之,，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12日，周五傍晚,，大家的郵箱里收到了團隊成員郭明華發(fā)來的剛測量好的數(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?；魻栃?yīng)邊緣態(tài)的貢獻,。常翠祖注意到這一點，向薛老師發(fā)信息匯報了情況,。
之所以說只是跡象,，是因為當(dāng)時的實驗結(jié)果并未達到25813歐姆的標(biāo)準(zhǔn)?！暗@對實驗來講已經(jīng)是一個重大突破,，之前從來沒有過類似的發(fā)現(xiàn)?！蓖鮼営藿忉尩?。
“當(dāng)時心里很忐忑，這是不是真的,？”馮硝說,，“大家都是壓著那種興奮，小心翼翼地想一定要重復(fù)出來,，證明它是真的,。”
薛其坤形容自己當(dāng)時的情緒是興奮和擔(dān)心交織,，“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”,。但很快,，他就冷靜下來，“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他們在緊張焦灼中共同奮戰(zhàn),，進一步提高樣品質(zhì)量,，并與物理所呂力研究組的通力合作，對樣品進行了30毫開溫度下的極低溫輸運測量,，終于在12月6號觀測到了完美的量子化平臺——量子反?；魻栃?yīng)被發(fā)現(xiàn)了！在那天,，薛其坤特意帶了兩瓶香檳酒和團隊成員慶祝,。
2013年3月，成果順利發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。諾貝爾物理學(xué)獎得主楊振寧先生興奮地表示：“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,?！贝撕螅襟w的密集報道讓社會在短時間內(nèi)了解到“不明覺厲”的量子反?；魻栃?yīng),，薛其坤的名字也被越來越多的人知曉。
薛其坤多次強調(diào),，這次的成功是幾個優(yōu)秀實驗團隊緊密高效合作的一個結(jié)果,，同時也是實驗團隊與理論團隊緊密合作的結(jié)果。在探索量子反?；魻栃?yīng)的過程中,，除了前面提到的張首晟，他們與中科院物理所的方忠,、戴希,，與清華大學(xué)的朱邦芬、段文暉等理論物理學(xué)家都有過很多有益的討論和合作,。正像楊振寧先生所指出的,，這個成功與我們中華傳統(tǒng)的人文關(guān)系有密切的關(guān)系。
收獲
在量子反?；魻栃?yīng)實驗結(jié)果剛發(fā)現(xiàn)的時候,，國際上出現(xiàn)了一些質(zhì)疑的聲音?！暗覀兪呛苡凶孕诺?，我們是“專業(yè)”物理學(xué)家，有深厚的積累和過硬的實驗技術(shù),，學(xué)生也都經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?xùn)練,，所以我們的每一個數(shù)據(jù)都是可重復(fù)的?！毖ζ淅ふf,。
2014年至2016年，東京大學(xué),、加州大學(xué),、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)先后重復(fù)驗證這一發(fā)現(xiàn),，不同領(lǐng)域的權(quán)威學(xué)者們均將這一發(fā)現(xiàn)作為學(xué)術(shù)引用,，在瑞典皇家科學(xué)院編寫的《2016年諾貝爾物理獎科學(xué)背景介紹》中，將此發(fā)現(xiàn)列為拓?fù)湮镔|(zhì)領(lǐng)域代表性的實驗突破,，得到了最權(quán)威評價機構(gòu)的高度認(rèn)可,。
各項榮譽紛至沓來：薛其坤在2014年榮獲求是杰出科學(xué)家獎,、何梁何利科學(xué)與技術(shù)成就獎，2016年獲首屆“未來科學(xué)大獎”,。2018年還獲得國際上的一個納米科學(xué)成就獎，前面八屆的獲獎?wù)甙ㄖZ貝爾物理獎獲得者Albert Fert,、碳納米管的發(fā)現(xiàn)者飯島澄男等著名科學(xué)家,。團隊成員馬旭村獲中國青年女科學(xué)家獎，王亞愚獲中國物理學(xué)會“黃昆物理獎”,，何珂獲日本“仁科芳雄亞洲獎”……
在團隊經(jīng)歷了專業(yè),、嚴(yán)謹(jǐn)、求實的學(xué)術(shù)訓(xùn)練和作風(fēng)熏陶的學(xué)生們,，也得到廣泛的認(rèn)可：常翠祖在2013年到美國麻省理工學(xué)院從事博士后研究,，現(xiàn)在美國賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)院任助理教授，并在2018年獲得了美國斯隆研究獎,；張金松和馮硝畢業(yè)后赴美國斯坦福大學(xué)進行博士后研究,，現(xiàn)在分別在清華大學(xué)物理系和清華大學(xué)-北京市未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心工作。
研究過程予以了他們很多回饋,，但真正予以自己收獲的還是他們自己,。在很多人眼中，薛其坤是“知識改變命運”的代名詞,，出生成長于山東沂蒙山區(qū)革命根據(jù)地,，為到北京讀研究生經(jīng)歷兩次失利，卻憑借從上午7點到晚上11點泡在實驗室的生活模式和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)攻克了一個個物理難題,。
馮硝也說,，自己不算是聰明人，也曾面臨過糾結(jié),，最終決定從事物理研究是因為“我抱有信心,，我所看到的就是真實的東西”。而決定從事物理的那一天,，這個出生于黑龍江一個小農(nóng)場的女孩兒并沒能想到自己能參與到一個重大發(fā)現(xiàn)中,。
再出發(fā)
“Now this is not the end. It is not even the beginning of the end. But it is, perhaps, the end of the beginning.”（取得勝利不是過程的終結(jié)，甚至連終結(jié)的開始都不是,。相反,，它很可能一個新起點的開始）王亞愚引用了丘吉爾的這番話來描述他們的研究過程。量子反?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn),，于他們的研究而言，僅是一個開始,，還有更高的山峰等著他們攀登,。
薛其坤說,，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,。因此，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?fù)浣^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——大幅提高了量子反?；魻栃?yīng)觀測溫度,，首次實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)多層結(jié)構(gòu),。
何珂說,，目前實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的溫度極低,，這不僅阻礙了進一步研究,，也讓其走向?qū)嶋H應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)?！霸瓉淼臏囟仁潜冉^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。王亞愚解釋說,，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，從而增強材料的導(dǎo)電能力,。
“這個聽起來很簡單,，但實驗上有相當(dāng)大的難度,。”何珂介紹,，這一項目對技術(shù)的要求非常高,，實現(xiàn)一個量子反常霍爾效應(yīng)層已經(jīng)非常困難了,，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?！氨M管很難，但這為探索更多新奇的拓?fù)淞孔游飸B(tài)打下一個非常好的基礎(chǔ),?！焙午嬲f。
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),。
薛其坤說，量子反?；魻栃?yīng)的實驗發(fā)現(xiàn)是國家改革開放40年來,，在國民經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的大力支持下，中國科學(xué)家沖擊國際科學(xué)技術(shù)難題的重要的例子,?！案母镩_放為我們中國科學(xué)走向世界奠定了非常好的基礎(chǔ)，給中國科學(xué)家造就了一個史無前例的黃金時代,?！彼粲酰袊艘袑W(xué)術(shù)自信,，要敢于去挑戰(zhàn)重大科學(xué)難題,。解決重大科學(xué)難題，解決核心技術(shù)難題,，是科技工作者報效祖國,、回報人民最好的答卷，也是中國科學(xué)真正走向世界中心的關(guān)鍵標(biāo)志,。
從葉企孫先生第一次實現(xiàn)對普朗克常數(shù)的測定,，到發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng),，已經(jīng)過去近百年的時間,。百年間,，變化的是日新月異的科技水平，不變的,，是科學(xué)家們追崇始終不變的“初心”,，這就像量子反常霍爾效應(yīng)與普朗克常數(shù)永恒不變的線性關(guān)系那樣,。
“物格而后知至,，知至而后意誠，意誠而后心正,，心正而后身修,，身修而后家齊，家齊而后國治,，國治而后天下平,。”2018年5月,，薛其坤作為嘉賓登上《朗讀者》的舞臺,，并且朗誦了《大學(xué)》?！拔乙阉I給無數(shù)為中國物理奠基的葉企孫先生和諸位前輩們,。”薛其坤說,。
文字及視頻來源：“清華大學(xué)”微信公眾號
