專訪自然科學一等獎得主薛其坤

1月8日，2018年度國家科學技術獎揭曉。「量子反常霍爾效應的實驗發現」摘得國家自然科學獎一等獎。

由中科院院士、清華大學教授薛其坤領銜的清華大學、中科院物理所實驗團隊在國際上首次從實驗中觀測到「量子反常霍爾效應」，這項重大基礎物理學成果被楊振寧稱為「中國實驗室里發表的第一次諾貝爾獎級的物理學論文。」

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我們知道，電子在導體中的運動並沒有明確的方向和軌跡，在流動的過程中還會使導體發熱、產生能量損耗。140年前，美國物理學家霍爾發現，如果對通電的導體加上垂直於電流方向的磁場，電子的運動軌跡將產生偏轉，這個電磁現象就是「霍爾效應」。霍爾效應是一種常見的電磁現象，廣泛應用於磁感測器和半導體工業。

1980年，德國科學家馮?克利青發現在強磁場下會出現「量子霍爾效應」，使電子運動沒有能量損耗。關於量子霍爾效應和拓撲物態的一系列發現和研究先後在1985年、1998年、2016年獲得諾貝爾物理獎，成為物理學最近幾十年最受關注的研究領域之一。

但物理學家還認為「量子霍爾效應家族」中應該存在「量子反常霍爾效應」，不需要強磁場也能使電子運動沒有能量損耗。量子反常霍爾效應是又一個全新的量子化的霍爾效應。由於其不需要外加磁場，是「量子霍爾效應家族」中最接近應用的。在實驗上在真實材料中發現量子反常霍爾效應，長期以來一直是物理學家追求的目標，但如何在實驗上觀測到是一個難題。自1988年開始就不斷有理論物理學家提出各種方案，但是實驗上沒有仼何實質性的進展。

從2009年起，薛其坤院士領導的實驗研究團隊與清華大學、中科院物理所、斯坦福大學的研究者合作，對量子反常霍爾效應的實驗實現進行攻關。他們試驗了超過1000個樣品，一步步克服了重重障礙，終於找到一種叫做「磁性拓撲絕緣體薄膜」的特殊材料，並從實驗中觀測到「量子反常霍爾效應」。「做研究必須有咬定青山不放鬆的精神，面對複雜的現象，找到本質，由表及裡地來分析問題、解決問題。」薛其坤說。

實驗中做到量子反常霍爾效應的測量難度極大。薛其坤打了個比方：「把材料在5納米的嚴格厚度上均勻到1毫米，才能實現對其的測量，這就相當於做一張學校操場那麼大的A4紙，又要讓它非常均勻。」

完成如此高難度的實驗，離不開尖端科研儀器的運用。薛其坤研究團隊長期以來結合分子束外延生長、極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡、角分辨光電子能譜技術，在表面、界面、低維物理學領域做出了國際一流的工作。「工欲善其事，必先利其器。」薛其坤認為，想在科學原創上發現別人看不到、發現不了的東西，肯定你的眼睛要更亮，你使用的儀器工具解析度、靈敏度要更高。

把這麼多尖端科學儀器和技術結合到一起，讓它們的功能發揮到極致，是一件非常困難的事。另一方面，要把這麼多頂尖的科學家結合到一起，為了共同的科學目標，通力合作，形成一個非常有戰鬥力的科研團隊，也是一件很有挑戰性的工作。「我們平日里都是單兵作戰，為了共同的科學目標，我們走到了一起，形成了最有效的合作。」薛其坤說。

讓團隊感到更具挑戰性的，是目標本身的極大不確定性。「當你幹了五年以後，發現這個理論對嗎？說實話，我們也不知道。」薛其坤說，「愛因斯坦在100年前就預言了引力波的存在，直到近年來才證明。我們要想在基礎研究領域獲得突破，就要有一種愚公移山的精神，堅持一代人、兩代人，甚至幾代人，把一件事情做好。」

量子反常霍爾效應的首次實驗發現，是世界物理學界近幾年的最重要的實驗進展之一，引領了國際學術方向。該成果發表後引起國際學術界的巨大反響，得到了楊振寧先生等知名物理學家的高度評價。「當時也有一些質疑的聲音，認為我們的結果是不是學生用計算機『平滑』『修改』出來的。少數人覺得我們中國的科學家不可能做出這麼重要的成績來。」薛其坤回憶說。在論文發表近一年後，日本和美國的競爭者相繼在相同的材料系統中重複出此項結果，也最終將這些質疑一掃而空。

薛其坤說：「量子反常霍爾效應的發現，是改革開放40年來我國基礎研究的一個重大成果，日益強大的國力、良好完善的科技政策、科學系統的科技規劃、催人奮進的創新氛圍，是我們的基礎和保障。一個國家如果不穩定，沒有經濟實力，沒有非常好的科研系統和體制，不可能會誕生這樣的成果。」

量子霍爾效應可以用於發展新一代的低能耗晶體管和電子學器件，克服晶元的發熱和能量損耗問題，有可能推動信息技術的進步。然而，普通量子霍爾效應的產生需要用到非常強的磁場（通常需要的磁場強度是地磁場的幾萬甚至幾十萬倍），應用起來非常昂貴和困難。而量子反常霍爾效應的最美妙之處是不需要任何外加磁場，因此，這項研究成果將可能推動新一代的低能耗晶體管和電子學器件的發展，加速推進信息技術革命的進程。

（來源：人民日報）

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