薛其坤做客清華論壇講述量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)
清華新聞網(wǎng)4月28日電（記者 劉蔚如 顧淑霞）4月27日下午，清華大學(xué)物理系薛其坤院士做客清華論壇，講述量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和體會(huì)。副校長(zhǎng)康克軍出席論壇。
圖為薛啟坤做報(bào)告。學(xué)生記者 李鈞翔 攝
薛其坤院士回顧了過(guò)去4年間，他所領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)從著手進(jìn)入拓?fù)浣^緣體這個(gè)全新的研究領(lǐng)域，一直到在實(shí)驗(yàn)上成功觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)的奮斗過(guò)程，并對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展做了簡(jiǎn)單評(píng)述。
薛其坤從量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相關(guān)的一些基本知識(shí)講起，為在座的師生們簡(jiǎn)要介紹了霍爾效應(yīng)家族的全貌。薛其坤介紹說(shuō)，1879年和1880年，美國(guó)科學(xué)家霍爾分別發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)，此后，整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)也逐一被發(fā)現(xiàn)。量子霍爾效應(yīng)好比是電子運(yùn)動(dòng)的“交通規(guī)則”，使得電子只能沿著邊緣的一維通道運(yùn)動(dòng)，并且只能做單向運(yùn)動(dòng)，不能返回，這相當(dāng)于建立了電子運(yùn)動(dòng)的“高速公路”，使其告別了雜亂無(wú)章的運(yùn)動(dòng)。量子霍爾效應(yīng)可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)耗散低能耗高速電子器件，推動(dòng)信息和能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)固體拓?fù)淞孔佑?jì)算和信息處理的革命有直接的推動(dòng)意義。然而，實(shí)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)需要十萬(wàn)高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)（地磁場(chǎng)僅為0.5高斯），這樣苛刻的條件使得量子霍爾效應(yīng)的應(yīng)用遙不可及。于是，科學(xué)家們一直在尋找不需要外加磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)，即量子反常霍爾效應(yīng)。
薛其坤認(rèn)為，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子反常霍爾效應(yīng)，不但具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，而且因?yàn)檫@是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的、非常精密的物理實(shí)驗(yàn)，在從事該實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程中，可以培養(yǎng)很多優(yōu)秀的年輕物理學(xué)家，成為人才培養(yǎng)的搖籃，實(shí)現(xiàn)清華“頂天、立地、樹(shù)人”的科研理念。
隨后，薛其坤重點(diǎn)講述了他所領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)4年時(shí)間里艱難的實(shí)驗(yàn)歷程。薛其坤提到，他對(duì)自己的學(xué)生有一項(xiàng)要求，即每一個(gè)研究生每個(gè)月要交兩個(gè)報(bào)告，一是文獻(xiàn)閱讀報(bào)告，一是工作進(jìn)展報(bào)告。2008年10月，正是他的一位研究生在文獻(xiàn)閱讀報(bào)告里介紹了拓?fù)浣^緣體的概念以及相關(guān)研究成果，開(kāi)啟了他們從事該領(lǐng)域研究的大門。而研究一旦開(kāi)始，馬上就面臨了第一個(gè)瓶頸——最基本的材料問(wèn)題。生長(zhǎng)出高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體材料，是研究的第一步，世界各國(guó)的很多材料生長(zhǎng)方面的頂尖專家都曾在該領(lǐng)域進(jìn)行嘗試，卻都沒(méi)有突破，所以，薛其坤決定要從實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法上尋找新的切入點(diǎn)。
圖為朱邦芬院士向薛其坤頒發(fā)清華論壇演講銘牌。學(xué)生記者 王涵 攝
2009年4月起，薛其坤等就把研究工作的重心放在拓?fù)浣^緣體材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究方面。憑借自己從事薄膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)研究20余年的經(jīng)驗(yàn)，薛其坤帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)僅用三四個(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)。薛其坤說(shuō)，這一成果的取得，為后續(xù)研究奠定了最關(guān)鍵的基礎(chǔ)，也奠定了研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)界的地位。在此后的4年里，每年都有團(tuán)隊(duì)成員受邀在美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上作相關(guān)的研究報(bào)告。回顧這段研究歷程，薛其坤認(rèn)為：“實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展很重要，學(xué)術(shù)的長(zhǎng)期積累很重要。”
實(shí)驗(yàn)接下來(lái)面臨的重要挑戰(zhàn)就是對(duì)材料質(zhì)量的要求，薛其坤解釋說(shuō)，量子反常霍爾效應(yīng)對(duì)材料的要求包括三個(gè)方面，即材料必須具有鐵磁性從而存在反常霍爾效應(yīng)；材料的體內(nèi)必須絕緣從而對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有任何貢獻(xiàn)；材料的電子結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦裕阂痪S導(dǎo)電通道。在實(shí)際的材料中實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都具有相當(dāng)大的難度，要同時(shí)滿足這三點(diǎn)更是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)的科學(xué)家都未取得最后的成功。而在薛其坤的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了非常艱難、曲折的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)歷程。3年多的時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng)和測(cè)量了超過(guò)1000個(gè)樣品，有20多位學(xué)生參與其中，使用過(guò)5套最精密的儀器，終于在2012年底得出最終數(shù)據(jù)，從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)！“勤奮很重要，堅(jiān)持不懈很重要，精誠(chéng)的合作很重要。”薛其坤總結(jié)這一段研究經(jīng)歷時(shí)強(qiáng)調(diào)說(shuō)。
在報(bào)告的最后，薛其坤總結(jié)說(shuō)，課題組的討論、對(duì)材料的掌握、實(shí)驗(yàn)技能和經(jīng)驗(yàn)、勤奮、堅(jiān)持、合作，以及經(jīng)費(fèi)的投入都是自己所率領(lǐng)的這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)取得成功的重要因素，而最后一點(diǎn)同樣重要的是，科學(xué)需要一點(diǎn)冒險(xiǎn)的精神。
圖為清華論壇現(xiàn)場(chǎng)。學(xué)生記者 王涵 攝
在隨后的提問(wèn)環(huán)節(jié)里，在場(chǎng)的師生們圍繞拓?fù)浣^緣體的特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的具體工作、科研團(tuán)隊(duì)的組織、量子反常霍爾效應(yīng)的應(yīng)用、未來(lái)工作的展望等方面提出問(wèn)題，薛其坤逐一回答了大家的問(wèn)題。
此次演講是清華論壇第48講，清華大學(xué)物理系朱邦芬院士主持論壇。
薛其坤院士的主要研究方向?yàn)閽呙杷淼里@微學(xué)、表面物理、自旋電子學(xué)、拓?fù)浣^緣量子態(tài)和低維超導(dǎo)電性等。他發(fā)表文章330余篇，包括5篇《科學(xué)》（Science），7篇《自然》（Nature）子刊，1篇《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS），31篇《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters），被引用超過(guò)6000余次。在國(guó)際會(huì)議上應(yīng)邀做大會(huì)/主題/特邀報(bào)告100余次，其中四次在美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)做邀請(qǐng)報(bào)告。曾獲中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)（2005）、何梁何利科學(xué)與進(jìn)步獎(jiǎng)（2006）、國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（2005、2011）、第三世界科學(xué)院物理獎(jiǎng)（2010）、求是杰出科技成就集體獎(jiǎng)（2011）、陳嘉庚科學(xué)獎(jiǎng)（2012）等獎(jiǎng)勵(lì)與榮譽(yù)。
2013年3月15日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜，清華大學(xué)物理系、中科院物理所和斯坦福大學(xué)的研究人員聯(lián)合組成的團(tuán)隊(duì)在量子反常霍爾效應(yīng)研究中取得的重大突破——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)。《科學(xué)》雜志的三位匿名審稿人對(duì)該項(xiàng)成果都給予了高度評(píng)價(jià)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、清華大學(xué)高等研究院名譽(yù)院長(zhǎng)楊振寧評(píng)價(jià)該成果說(shuō)：“這是第一次從中國(guó)實(shí)驗(yàn)室里發(fā)表的諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)論文。”
編輯：冰 冰
