清華大學物理系和中科院物理研究所聯(lián)合組成的實驗團隊，從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應
“這是一個諾獎級的發(fā)現(xiàn)”
來源：光明日報 2013-4-11 鄧暉 齊芳
6個月前的一天，學生的一條短信，讓清華大學薛其坤院士經(jīng)歷了人生中最為激動的一刻。3天后，與薛其坤在美國的碰面，也讓斯坦福大學教授、清華大學教授張首晟同樣迎來了他“此生最難忘的一天”，當天，薛其坤興奮地告訴他一則“驚人”的消息。
6個月后的今天，清華園春意初現(xiàn)。薛其坤登上講臺，謙和一笑，在學界前輩楊振寧、朱邦芬和同行及媒體人期待的目光中，以一句“真不知道從何說起……”揭開那令人激動的發(fā)現(xiàn)。
這真是一個令中國科學界都為之振奮的重大發(fā)現(xiàn)——由清華大學物理系和中科院物理研究所聯(lián)合組成的實驗團隊，在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應，這也證實了此前中科院物理研究所與斯坦福大學理論團隊的預言。
而在此前，這份研究報告在《科學》（Science）雜志在線發(fā)表，被3名匿名評審人給予高度評價。（詳見本報3月16日教科文新聞版報道）3月18日的美國物理學會年會上，薛其坤院士成為焦點人物，很多華人科學家和相熟的外國學者都為發(fā)現(xiàn)這一“被認為可能是量子霍爾效應家族最后一個有待實驗發(fā)現(xiàn)的成員”向他表示祝賀。
“這是第一次從中國科學家自己的實驗室里得到了諾貝爾獎級別的重大發(fā)現(xiàn)。”今天的發(fā)布會現(xiàn)場，著名物理學家、諾貝爾獎獲得者楊振寧先生說，“今天這個重大發(fā)現(xiàn)，不僅是科學界的喜事，更是整個國家的喜事。”
假想獲得驗證 一次向奇跡的完美沖擊
“我們做理論的，總為幫不上實驗的忙而焦急。但我始終記得楊振寧先生的教導，最美的數(shù)學框架和理論概念總能在大自然中得到驗證。”在今天的發(fā)布會現(xiàn)場，張首晟說。
正是量子反常霍爾效應的發(fā)現(xiàn)，讓他體會到了假想獲得驗證的歡欣。
2008年10月15日，薛其坤院士清楚地記得這個日子，在課題組的例行組會上，學生介紹了由張首晟教授與來自美國和德國的另外兩位科學家共同開創(chuàng)的拓撲絕緣體概念以及相關研究成果。從那時起，薛其坤和張首晟就展開了對拓撲絕緣體中新奇量子效應的實驗研究。在一年多的時間內(nèi)，他們與清華大學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，在拓撲絕緣體的樣品生長和原位電子態(tài)研究方面取得一系列舉世矚目的成果。
此后，他們瞄準了更高更難的目標：在實驗上實現(xiàn)量子反常霍爾效應，也就是零磁場中的量子霍爾效應。量子反常霍爾效應是一個全新的量子效應，由于其存在不需要外加磁場，在應用方面比此前發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應要方便得多，可以推動新一代的低能耗晶體管和電子學器件的發(fā)展，解決電腦發(fā)熱等問題。因此從理論研究和實驗上實現(xiàn)量子反常霍爾效應，成為世界凝聚態(tài)物理學家關注的焦點。
2006年，張首晟教授在理論上預言了第一個二維拓撲絕緣體，并很快被實驗證實。此后，他把這個新領域引入中國，開始與中科院物理所的方忠和戴希兩位計算物理方面的國際知名專家展開廣泛合作，共同預言了以Bi2Te3和Bi2Se3為代表的一類新型三維拓撲絕緣體。2008年，張首晟教授和當時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撲絕緣體中實現(xiàn)量子反常霍爾效應的理論構思。2010年方忠、戴希等與張首晟合作，提出磁性摻雜的Bi2Se3等新型拓撲絕緣體是實現(xiàn)量子反常霍爾效應的理想體系。理論預言是否正確需要實驗證明，從實驗上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應也成為世界許多科學家的奮斗目標。
苛刻條件一一實現(xiàn) 向奇跡步步逼近
在拓撲絕緣體研究的初期，薛其坤就敏銳意識到，拓撲絕緣體材料的生長動力學與自己長期從事的砷化鎵研究有非常類似的地方。于是，他迅速制定了實驗方案——按照生長砷化鎵的方法進行實驗，首先建立起拓撲絕緣體材料的生長動力學。
在薛其坤的親自指導下，清華大學和中科院物理所組成的團隊僅用3、4個月的時間，就在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的分子束外延生長動力學，實現(xiàn)了對樣品生長過程在原子水平上的精確控制，使薄膜樣品的質量很快達到國際領先水平。
“這是最重要的一步，邁出這一步，后面工作才能順利展開。可以說就是從建立起這類材料生長動力學的這一天起，我們奠定了在這項研究中的領先地位”，薛其坤強調。正在此時，張首晟受聘清華大學，自此與薛其坤團隊開始了緊密合作。
雖然材料生長動力學這一關鍵問題得以解決，但實現(xiàn)量子反常霍爾效應所需條件帶來的種種難題還是讓實驗面臨瓶頸。
挑戰(zhàn)面前，他們選擇獨辟蹊徑，最終找到了一條現(xiàn)在看來非常合理的技術路線。這在很大程度上得益于樣品生長和輸運測量研究組的緊密合作，團隊成員幾乎每天都通過郵件和電話交流實驗結果，每2—3周都會進行一次充分討論，分析實驗的所有細節(jié)，制定詳盡的下一步計劃。
“我們很幸運有一批優(yōu)秀的研究生”，團隊成員、清華大學物理系教授王亞愚說，“他們不僅工作勤奮，而且由于思維沒有束縛，在研究過程中經(jīng)常會提出一些讓老師驚訝的奇思妙想。在這個研究過程中，我們和學生是一起成長的。”
就這樣，團隊成員在過去的四年時間里共生長和測量了超過1000個樣品，每一次的生長、測量、反饋、調整都爭取做到極致。功夫不負有心人，每半年到九個月，他們就會克服一個困難，向前跳一級。一個個激動人心的成果接踵而來：
2010年，他們完成了對1納米到6納米（相當于頭發(fā)絲粗細的萬分之一）厚度薄膜的生長和輸運測量，得到了系統(tǒng)結果，從而使準二維拓撲絕緣體的制備和輸運測量成為可能；
2011年，他們實現(xiàn)了對拓撲絕緣體能帶結構的精密調控，使其成為真正的絕緣體，去除了體內(nèi)電子對輸運性質的影響；
2011年底，他們在準二維、體絕緣的拓撲絕緣體中實現(xiàn)了自發(fā)長程鐵磁性，并利用外加柵極電壓對其電子結構進行原位精密調控。
量子反常霍爾效應所需要實驗材料的三個苛刻條件終于被實現(xiàn)了。
2012年3月份，堅持不懈的團隊成員不經(jīng)意間觀察到反常霍爾電阻值竟達到了量子電阻的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，他們從各個細節(jié)全面優(yōu)化生長測量條件，一步一步接近奇跡出現(xiàn)的時刻。
見證奇跡 中國科研團隊的榮譽
2012年10月的一個晚上，薛其坤教授收到學生的短信：他們在實驗中發(fā)現(xiàn)了量子反常霍爾效應的跡象。當晚薛其坤立即組織團隊人員，設計出幾套方案，部署下一步實驗，特別是和中科院物理所呂力研究組合作，將實驗推進到接近絕對零度的極低溫。
接下來幾天，團隊成員用“誠惶誠恐”形容自己的心情。嚴謹?shù)目茖W精神面前，一次結果并不能說明問題，他們需要用不同的樣品做多次重復實驗。
實驗順利進行著，25800歐姆，所有人期待著這個標志性的數(shù)值，然而沒有人知道神秘的微觀世界究竟會發(fā)生什么，之前一直做不到25800這個數(shù)值，然而現(xiàn)在如果超過了怎么辦？數(shù)據(jù)不停地跳動著，10000、20000、25800！數(shù)據(jù)停住了！材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到量子電阻（h/e2~25800歐姆）的數(shù)值并形成一個平臺，同時縱向電阻急劇降低并趨近于零，這是量子化反常霍爾效應的特征性行為。
歷史將這一時刻定格，在美國物理學家霍爾于1880年發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應133年后，人類終于實現(xiàn)了其量子化。實驗結果如此干凈漂亮，數(shù)據(jù)完美得不可思議，讓每位成員都感嘆“真是見證奇跡的時刻”。
“重大實驗發(fā)現(xiàn)是對人類智慧的一個巨大挑戰(zhàn)，這對研究團隊的科研素養(yǎng)和積累、對實驗技術水平要求非常高。我們的團隊成員在各自的領域都是一流的‘專業(yè)選手’，研究團隊具備了國際領先的水平。”薛其坤說，這在很大程度上得益于最近20年中國對基礎研究的重視和大力投入。“這項成果是我們團隊精誠合作，聯(lián)合攻關的共同成果，是中國科學家的集體榮譽。”薛其坤、張首晟、方忠等都著重強調這一點。
現(xiàn)在，這個誕生于中國本土的優(yōu)秀科研團隊仍然在為量子反常霍爾效應的應用前景而奮斗著。薛其坤表示：“任何一個現(xiàn)象從原理性的發(fā)現(xiàn)走到應用，都需要不同領域的科學家和工業(yè)界的共同努力，我們也會與更多的人合作將這個領域發(fā)揚光大，推動它向應用的方向發(fā)展。”
