在中國實驗室里做出「諾獎級成果」

——訪2018年度國家自然科學獎一等獎獲得者薛其坤團隊

1月8日上午，北京人民大會堂，清華大學副校長

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院士走上主席台，接過了國家自然科學獎一等獎的獲獎證書，他和團隊的獲獎項目是「量子反常霍爾效應的實驗發現」。此時，距2013年他們首次將實現量子反常霍爾效應的成果發布在《科學》（Science）雜誌上已過去近6年時間。

什麼是量子反常霍爾效應？薛其坤形象地說，該發現可以改變電子的運動軌跡，使其像在高速公路上行駛的汽車一樣有序。這項研究成果將會推動新一代低能耗晶體管和電子元器件發展，解決電腦發熱、能量耗損等問題。對普通人來說，最直接的影響就是有可能擺脫手機或電腦發熱、耗電快、運行慢等困擾。

量子霍爾效應是現代物理學的重要研究領域，與其相關的研究發現曾4次摘得諾貝爾獎。量子反常霍爾效應由於其存在不需要外加磁場，所以比此前發現的量子霍爾效應在應用方面要方便得多。在實驗中實現量子反常霍爾效應，是長期以來科學界關注的焦點。

突破的契機出現於2006年，美國斯坦福大學教授張首晟領導的團隊成功預言了一類名為「拓撲絕緣體」的材料，它的神奇之處在於內部絕緣，表面卻可以導電。2008年，張首晟團隊又與清華大學、中科院物理所的合作夥伴們一起提出了在拓撲絕緣體中引入磁性，將有可能實現量子反常霍爾效應的理論。

2008年10月，薛其坤在一次課題組彙報中聽博士生李耀義介紹了拓撲絕緣體的概念以及相關研究成果。與學生們進一步討論後，一直從事凝聚態物理和材料科學研究的薛其坤，決定進行拓撲絕緣體研究，通過實驗來驗證假說。

經過一系列努力，薛其坤團隊抓住拓撲絕緣體這個新領域的契機，在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的生長動力學機制，並利用掃描隧道顯微鏡揭示出拓撲絕緣體表面態的拓撲保護性和朗道量子化獨特性質。

「這是關鍵的一步，邁出了這一步，後面的工作才能順利展開。可以說從建立這類材料的生長動力學這一天起，我們就奠定了在這項研究中的領先地位。」薛其坤解釋道。

緊接著，薛其坤領導的實驗團隊對量子反常霍爾效應的實驗進行攻關，研究不斷取得階段性進展：

——2010年，完成對1納米到6納米（頭髮絲粗細的萬分之一）厚度薄膜的生長和輸運測量，得到系統的結果，從而使准二維拓撲絕緣體的製備和輸運測量成為可能；

——2011年，實現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，去除了體內電子對輸運性質的影響；

——2011年底，在准二維、體絕緣的拓撲絕緣體中實現了自髮長程鐵磁性，並利用外加柵極電壓對其電子結構進行原位精密調控。

然而，此後的研究工作陷入了停滯不前的狀態……

突破來自一次偶然的嘗試。2012年10月12日晚，研究團隊在實驗室做實驗時有了非比尋常的發現。

薛其坤形容自己當時的情緒是興奮和擔心交織，「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，也不知道他們什麼時候能做出來」。但很快，他就冷靜下來，「這些年大家的努力奮鬥一定會有回報，天道酬勤」。

接下來的一個半月里，他們在緊張焦灼中共同奮戰，進一步提高樣品質量，並與中科院物理所呂力研究組通力合作，對樣品進行了30毫開溫度下的極低溫輸運測量。終於，在12月8日，團隊觀測到了完美的量子化平台——量子反常霍爾效應被發現了！

在完成實驗測量，獲得最終數據的那天，薛其坤特意帶了兩瓶香檳酒和團隊成員慶祝。

2013年3月，成果順利發表在《科學》雜誌上。著名科學家、諾貝爾物理學獎得主楊振寧教授興奮地表示：「這是第一次從中國實驗室里發表的諾貝爾獎級的物理學論文。」

在量子反常霍爾效應實驗結果剛發現時，國際上曾出現過一些質疑聲。「但我們很自信，我們有深厚的積累和過硬的實驗技術，學生也都經過嚴謹的訓練，我們的每個數據都是可重複的。」薛其坤說。

這是一段沒有跑道的科學長跑。2014年至2016年，東京大學、加州大學、麻省理工學院、普林斯頓大學先後重複驗證了這一發現，不同領域的權威學者均將這一發現作為學術引用。瑞典皇家科學院編寫的《2016年諾貝爾物理獎科學背景介紹》中，將此發現列為拓撲物質領域代表性的實驗突破，成果得到了權威評價機構認可。

而後，薛其坤和團隊不斷地贏得鮮花和掌聲：2014年，薛其坤榮獲求是傑出科學家獎、何梁何利科學與技術成就獎；2016年，他獲得首屆「未來科學大獎」；2018年，獲得國際上一項納米科學成就獎。團隊成員馬旭村獲中國青年女科學家獎，王亞愚獲中國物理學會「黃昆物理獎」，何珂獲日本「仁科芳雄亞洲獎」……

多年的科研經歷令薛其坤深諳科學發現的「秘訣」。他一再叮囑學生，不要緊盯今天發篇好文章、明天找份好工作，而要真正把某個感興趣的科學命題搞清楚，完成從科研執行者到指揮策劃者的「蛻變」。

如今的薛其坤，依然和團隊一起奮戰在科研第一線，他們都期待能發現更多有趣的量子物態和量子效應。

因為，在薛其坤的內心始終有一條沒有終點的「跑道」。他希望，在這條「跑道」上未來能有更多有才華的年輕人，不斷地從他們手中接過「奔跑」的接力棒。

本報北京1月8日電 中國教育報記者 柯進 通訊員 林爻大

《中國教育報》2019年01月09日第3版

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