攻克量子世界的制高點(diǎn)
——我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)背后的故事
來源：中國教育報(bào) 2013-4-11 唐景莉
3月18日，在規(guī)模宏大的美國物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，清華大學(xué)薛其坤院士成了焦點(diǎn)人物——很多華人科學(xué)家和相熟的外國學(xué)者紛紛走到他面前向他表示祝賀。這些都源于今年3月15日《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)表文章，宣布由薛其坤院士領(lǐng)銜的清華大學(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)，從實(shí)驗(yàn)上首次發(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)被中國科學(xué)家率先觀測到。
在凝聚態(tài)物理中，量子霍爾效應(yīng)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)。這次中國科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)上觀測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，薛其坤院士和他的團(tuán)隊(duì)整整花了4年時(shí)間。
以科學(xué)家敏銳的眼光鎖定至高目標(biāo)
物理在人類的生活中無處不在，而重大的實(shí)驗(yàn)物理發(fā)現(xiàn)可以讓人類認(rèn)識(shí)和掌握自然界的規(guī)律，從而推動(dòng)人類社會(huì)的進(jìn)步。
2008年10月15日，薛其坤院士清楚地記得這個(gè)日子。在課題組例行的組會(huì)上，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”走進(jìn)了薛其坤院士的視野。
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)的張首晟教授與來自美國和德國的另外兩位科學(xué)家共同開創(chuàng)的。張首晟教授和薛其坤院士深厚的友誼和緊密的交流使他們意識(shí)到，這是一個(gè)非常值得在中國進(jìn)行深入探究的領(lǐng)域。從那時(shí)起，他們就展開了對(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)物理系的陳曦和賈金鋒教授，以及中科院物理所的馬旭村研究員合作，在拓?fù)浣^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(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，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)。
為了在激烈的國際競爭中脫穎而出，薛其坤院士對(duì)團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行了合理的分工。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)任樣品生長的總負(fù)責(zé)人，并指定由中科院物理所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)測量則由清華大學(xué)物理系的王亞愚負(fù)責(zé)。當(dāng)時(shí)何珂剛剛進(jìn)入物理所工作，王亞愚在清華的輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)室也剛剛搭建調(diào)試完畢。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)也給他們帶來很大的壓力。
“最開始的時(shí)候不要說量子化的反常霍爾效應(yīng)，就連這些材料在離開超高真空的生長環(huán)境后，我們能否獲得可靠的輸運(yùn)數(shù)據(jù)都沒有把握。”王亞愚說。然而，正是薛其坤團(tuán)隊(duì)在高質(zhì)量樣品生長方面的深厚基礎(chǔ)，特別是薛其坤院士本人在樣品生長關(guān)鍵技術(shù)方面的具體指導(dǎo)，使得他們?cè)诮⒘送負(fù)浣^緣體生長動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，最終克服了重重困難。
材料生長動(dòng)力學(xué)成為實(shí)驗(yàn)成功的制勝武器
薛其坤團(tuán)隊(duì)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(dòng)力學(xué)，并長出了高質(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^緣體研究的初期，薛其坤就敏銳地意識(shí)到，拓?fù)浣^緣體材料的生長動(dòng)力學(xué)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(shí)驗(yàn)方案——按照生長砷化鎵的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先建立起拓?fù)浣^緣體材料的生長動(dòng)力學(xué)。
材料的生長動(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)宏觀樣品的過程，只有掌握了材料的生長動(dòng)力學(xué)，才能精確地控制材料的生長。從1992年攻讀博士學(xué)位起，薛其坤就一直從事薄膜生長動(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)，并已獲得兩項(xiàng)國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
在薛其坤的親自指導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)僅用三四個(gè)月，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(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品生長過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)到了國際領(lǐng)先水平。“可以說就是從建立起這類材料的生長動(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。”薛其坤說。
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動(dòng)力學(xué)及電子態(tài)研究等系列成果在國際學(xué)術(shù)界引起了廣泛的關(guān)注，并以總得票排名第一入選了“2010年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”。
恰好在這個(gè)關(guān)鍵的時(shí)刻，張首晟受聘于清華大學(xué)，自此與薛其坤團(tuán)隊(duì)開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@無疑是拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域最具影響力的工作。
緊密合作追求極致通往成功之路
雖然材料生長動(dòng)力學(xué)這一關(guān)鍵問題得以解決，但這并不意味著接下來的工作就是一片坦途。
然而，整個(gè)團(tuán)隊(duì)沒有放棄，而是選擇獨(dú)辟蹊徑，最終找到了一條現(xiàn)在看來非常合理的技術(shù)路線。這在很大程度上得益于樣品生長和輸運(yùn)測量研究組的緊密合作，團(tuán)隊(duì)成員幾乎每天都通過郵件和電話交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，每隔兩三周都會(huì)進(jìn)行一次充分的討論，分析實(shí)驗(yàn)的所有細(xì)節(jié)，制定詳盡的下一步計(jì)劃。“我們這些有不同專長、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。”何珂說。
“我們很幸運(yùn)有一批優(yōu)秀的研究生。”王亞愚說，“他們不僅工作勤奮，而且由于思維沒有受到束縛，在研究過程中經(jīng)常會(huì)提出一些讓我們驚訝的奇思妙想。”實(shí)驗(yàn)的很多關(guān)鍵步驟，都是學(xué)生們?cè)诰唧w的工作和相互的討論中摸索出來的。“在這個(gè)研究過程中，我們和學(xué)生是一起成長的。”王亞愚說。
就這樣，團(tuán)隊(duì)成員在過去的4年里共生長和測量了超過1000個(gè)樣品，并通過一次次的生長、測量、反饋、調(diào)整，爭取在每一步都做到極致。功夫不負(fù)有心人，一個(gè)個(gè)激動(dòng)人心的成果接踵而來：
——2010年，他們完成了對(duì)1納米到6納米（頭發(fā)絲粗細(xì)的萬分之一）厚度薄膜的生長和輸運(yùn)測量，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，一步一步接近奇跡出現(xiàn)的時(shí)刻。
見證奇跡的時(shí)刻
2012年10月的一個(gè)晚上，薛其坤院士收到學(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。
接下來的幾天里，團(tuán)隊(duì)成員們用“誠惶誠恐”來形容當(dāng)時(shí)自己的心情。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神告訴他們，一次結(jié)果并不能說明問題，他們需要用不同的樣品做多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)順利地進(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。
歷史將這一時(shí)刻定格——在美國物理學(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“真是見證奇跡的時(shí)刻”。
最終數(shù)據(jù)出來的那天，薛其坤帶了兩瓶香檳酒，與團(tuán)隊(duì)成員一起合影，留下這珍貴的回憶。那是2012年10月，離2008年10月實(shí)驗(yàn)開始已整整4年。
中國優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)向世界“亮劍”
在諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者、清華大學(xué)高等研究院名譽(yù)院長楊振寧教授看來，薛其坤院士領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)取得的，是“諾貝爾級(jí)別的科研成果”。
“為什么別國沒有成功而在中國取得成功，這與中國整個(gè)科研體制有關(guān)，同時(shí)與人文關(guān)系有很大影響，值得研討。這是一件大喜事。”楊振寧教授說。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)與國際先進(jìn)水平接軌。在中國加大投入基礎(chǔ)科學(xué)研究20年后，中國科學(xué)界已經(jīng)具備一批國際水平的科學(xué)家，能夠向世界科學(xué)領(lǐng)域“亮劍”。
薛其坤院士強(qiáng)調(diào)，真正的科學(xué)發(fā)現(xiàn)是為人類增加新知識(shí)，所以研究需要很長的過程，需要多年專業(yè)的訓(xùn)練和積累，也需要一批經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練的專業(yè)選手來攻關(guān)。“重大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是對(duì)人類的智慧的一個(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‘專業(yè)選手’，我們的研究團(tuán)隊(duì)具備了國際領(lǐng)先的水平。”
薛其坤院士認(rèn)為，這一科研發(fā)現(xiàn)在很大程度上得益于最近20年中國對(duì)基礎(chǔ)研究的重視和大力投入。從2005年到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)了薛其坤、陳曦、王亞愚3位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，并通過各種途徑給他們創(chuàng)造盡量好的工作條件。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。這些科學(xué)家每個(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，最終實(shí)現(xiàn)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)精誠合作，聯(lián)合攻關(guān)的共同成果，是中國科學(xué)家的集體榮譽(yù)。”薛其坤、張首晟、方忠等都反復(fù)向記者強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。
現(xiàn)在，這個(gè)誕生于中國本土的優(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)用的發(fā)展。”
名詞解釋
霍爾效應(yīng)
130多年前，美國物理學(xué)家霍爾先后發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)。在一個(gè)通有電流的導(dǎo)體中，如果施加一個(gè)垂直于電流方向的磁場，由于洛倫茲力的作用，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場方向的導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓，這個(gè)電磁輸運(yùn)現(xiàn)象就是著名的霍爾效應(yīng)。而不加外磁場也可以觀測到霍爾效應(yīng)，這種零磁場中的霍爾效應(yīng)就是霍爾反常效應(yīng)。
新聞背景
量子霍爾效應(yīng)研究已三獲諾貝爾獎(jiǎng)
在凝聚態(tài)物理的研究中，量子霍爾效應(yīng)占據(jù)著極其重要的地位，此前在這方面的重要工作包括——
□整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（1980年發(fā)現(xiàn)，1985年諾貝爾物理獎(jiǎng)）；
□分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)（1982年發(fā)現(xiàn)，1998年諾貝爾物理獎(jiǎng)）；
□石墨烯中的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（2005年發(fā)現(xiàn)，2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)）；
□量子化自旋霍爾效應(yīng)（2007年發(fā)現(xiàn)，2010年歐洲物理獎(jiǎng)，2012年美國物理學(xué)會(huì)巴克利獎(jiǎng)）。
量子反常霍爾效應(yīng)是在此領(lǐng)域的又一個(gè)重大進(jìn)展，有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個(gè)重要成員。
成果應(yīng)用前景廣闊
在當(dāng)今信息社會(huì)，半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展，但電腦運(yùn)行中熱量如何散發(fā)成為困擾半導(dǎo)體和信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)瓶頸問題。而量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)將有望解決這一難題。因?yàn)檫@一效應(yīng)可能在未來電子器件中發(fā)揮特殊作用，可用于制備低能耗的高速電子器件。科學(xué)家可使電子在不需要強(qiáng)磁場的情況下，按照固定軌跡運(yùn)動(dòng)，減少電子無規(guī)則碰撞導(dǎo)致的發(fā)熱和能量損耗。通過密度集成，將來計(jì)算機(jī)的體積也將大大縮小，千億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)有望做成現(xiàn)在的iPad那么大。因此，這一科研成果的應(yīng)用前景十分廣闊。
（資料來源：清華大學(xué)、中國科技網(wǎng)）
