2019年1月8日上午，“2018年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)”隆重召開(kāi)。中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)副校長(zhǎng)薛其坤教授領(lǐng)導(dǎo)的清華大學(xué)、中科院物理研究所實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)完成的“量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)”項(xiàng)目，獲得本年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)中唯一的一等獎(jiǎng)。這項(xiàng)發(fā)表于2013年的研究工作，被稱(chēng)為誕生在我國(guó)本土實(shí)驗(yàn)室的諾獎(jiǎng)級(jí)重大成果。?

　　量子反?；魻栃?yīng)，對(duì)普通人來(lái)說(shuō)，拗口又晦澀。但在物理學(xué)家眼中，它“神奇”又“美妙”。因?yàn)檫@一效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)可能帶來(lái)下一次信息技術(shù)變革。采用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的集成電路和元器件，千億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)有望做成平板電腦那么大，智能手機(jī)的內(nèi)存可能會(huì)提高上千倍。?

　　那么，量子反?；魻栃?yīng)到底是一種怎樣的物理現(xiàn)象，它的發(fā)現(xiàn)為何能引起如此巨大的反響呢？?

　　在了解量子反?；魻栃?yīng)之前，我們還是要先從經(jīng)典電磁學(xué)中的霍爾效應(yīng)開(kāi)始說(shuō)起。?

　　140年前，也就是1879年，美國(guó)物理學(xué)家霍爾在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)?，F(xiàn)在這一經(jīng)典效應(yīng)，早已經(jīng)成為高中物理課本中的重要內(nèi)容。?

　　我們先來(lái)簡(jiǎn)單回顧一下，課堂上學(xué)過(guò)的知識(shí)。?

　　霍爾效應(yīng)是指，當(dāng)通過(guò)導(dǎo)體的電流與外磁場(chǎng)垂直的時(shí)候，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加電場(chǎng)，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，也就是電壓，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電壓也被稱(chēng)為霍爾電壓。?

　　140年的時(shí)間里，霍爾效應(yīng)在電力電子，特別是傳感器等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代汽車(chē)上，比如汽車(chē)速度表及里程表、各種用電負(fù)載的電流檢測(cè)及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、曲軸角度傳感器、抗干擾開(kāi)關(guān)等等，都是應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾器件。?

　　霍爾效應(yīng)的概念本身還算容易理解，但是，當(dāng)它與量子理論結(jié)合時(shí)又會(huì)擦出怎樣的火花呢？?

　　我們知道，當(dāng)物理學(xué)研究對(duì)象本身的維度進(jìn)入到微觀(guān)領(lǐng)域時(shí)，與我們?cè)诤暧^(guān)世界中的日常經(jīng)驗(yàn)完全迥異的量子理論，就將掌控各種物理規(guī)律。這個(gè)時(shí)候，若干物理量的連續(xù)變化將呈現(xiàn)為間斷性變化，體現(xiàn)出量子特征。例如，宏觀(guān)世界的蘋(píng)果，有大有小，蘋(píng)果的大小可以連續(xù)變化。而微觀(guān)世界中的蘋(píng)果，大小就不是連續(xù)變化的了，而是相當(dāng)于某個(gè)基礎(chǔ)蘋(píng)果尺寸的整數(shù)倍，不存在其它尺寸的微觀(guān)蘋(píng)果。?

　　用這個(gè)聽(tīng)起來(lái)不太確切的例子，想要說(shuō)明的是，在量子力學(xué)的世界中，很多物理量都是某一基礎(chǔ)值的整數(shù)倍。?

　　我們?cè)倩剡^(guò)頭來(lái)繼續(xù)剛才說(shuō)到的量子理論與霍爾效應(yīng)相結(jié)合的話(huà)題。高中物理知識(shí)告訴我們，在無(wú)限大均勻平面磁場(chǎng)中，以垂直磁感線(xiàn)方向入射的初速不為零的電子，將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。而在經(jīng)典的霍爾效應(yīng)導(dǎo)體中，自由電子雖然會(huì)在磁場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但由于偏轉(zhuǎn)半徑很大，尚未完成圓周運(yùn)動(dòng)就會(huì)堆積在導(dǎo)體一側(cè)。?

　　想讓自由電子在導(dǎo)體內(nèi)部完成圓周運(yùn)動(dòng)，還需要一個(gè)特定的環(huán)境：首先要在足夠低的溫度中，再有一個(gè)非常強(qiáng)的外加磁場(chǎng)，在這樣的環(huán)境下電子的偏轉(zhuǎn)半徑就會(huì)明顯減小，從而可能在導(dǎo)體內(nèi)部完成圓周運(yùn)動(dòng)。?

　　這時(shí)的導(dǎo)體內(nèi)部，仿佛存在無(wú)數(shù)個(gè)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的“陀螺”。當(dāng)外加磁場(chǎng)繼續(xù)增大，電子的回旋半徑會(huì)進(jìn)一步縮小，當(dāng)它小到與電子本身近似的微觀(guān)水平時(shí)，量子效應(yīng)就產(chǎn)生了。發(fā)生量子霍爾效應(yīng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部電子在原地進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，而導(dǎo)體邊緣電子就會(huì)形成導(dǎo)電通路。?

　　量子霍爾效應(yīng)具有多種神奇而充滿(mǎn)魅力的特點(diǎn)，但是它的產(chǎn)生，需要依賴(lài)強(qiáng)大的外加磁場(chǎng)條件，所以缺乏實(shí)用性。試想一下，如果開(kāi)發(fā)一枚具備量子霍爾效應(yīng)的超導(dǎo)芯片，雖然它本身具有低發(fā)熱、高速度等有益特點(diǎn)，但想要維持運(yùn)轉(zhuǎn)，可能要配備上一臺(tái)冰箱一樣大小的強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生器，這是我們無(wú)法接受的。?

　　如果找到一種材料，可以不依賴(lài)強(qiáng)磁場(chǎng)就能產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)，那豈不是事半功倍了嘛。沒(méi)錯(cuò)，這種材料就是大名鼎鼎的拓?fù)浣^緣體。?

　　自從2007年面世后，拓?fù)浣^緣體在全世界吸引了堪比石墨烯材料的關(guān)注度。薛其坤教授和他的團(tuán)隊(duì)，正是受這種材料的啟發(fā)，把拓?fù)浣^緣體和鐵磁性材料有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了低溫下無(wú)需外加強(qiáng)磁場(chǎng)就能觀(guān)測(cè)到的量子霍爾效應(yīng)。為了體現(xiàn)區(qū)別，這種新的現(xiàn)象被稱(chēng)為量子反常霍爾效應(yīng)。?

　　這一新發(fā)現(xiàn)，來(lái)自薛其坤研究團(tuán)隊(duì)的一次偶然嘗試。?

　　量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，有一個(gè)特別鮮明的標(biāo)志。那就是，在零磁場(chǎng)下，當(dāng)霍爾電阻跳變到大約25813歐姆的量子電阻基準(zhǔn)時(shí)，這種量子現(xiàn)象才被稱(chēng)為量子反?；魻栃?yīng)。?

　　在以往的實(shí)驗(yàn)中，薛其坤研究團(tuán)隊(duì)擔(dān)心幾納米厚的拓?fù)浣^緣體材料，很容易破損，所以會(huì)設(shè)置一個(gè)襯底和一個(gè)保護(hù)層，并且不斷優(yōu)化。團(tuán)隊(duì)成員馮硝說(shuō)道：“優(yōu)化完襯底后就有一個(gè)明顯提升，但后來(lái)又到了平臺(tái)期。感覺(jué)無(wú)路可走時(shí)，決定反其道而行之，看看去除材料保護(hù)層會(huì)怎樣，沒(méi)想到這樣反而獲得了顯示量子反?；魻栃?yīng)跡象的樣品?！?

　　2012年10月份，一個(gè)周五的晚上，團(tuán)隊(duì)成員郭明華給大家工作郵箱里發(fā)送了剛剛測(cè)量好的數(shù)據(jù)。這個(gè)樣品的霍爾電阻達(dá)到了17000歐姆附近，而縱向電阻出現(xiàn)了小小的下降。這小小的下降很有可能就是量子反?；魻栃?yīng)邊緣態(tài)的貢獻(xiàn)。團(tuán)隊(duì)成員注意到這一點(diǎn)之后，向薛其坤教授匯報(bào)了情況。?

　　之所以說(shuō)只是跡象，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并未達(dá)到25813歐姆的標(biāo)準(zhǔn)。但這對(duì)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)已經(jīng)是一個(gè)重大突破，之前從來(lái)沒(méi)有過(guò)類(lèi)似的發(fā)現(xiàn)。薛其坤教授形容自己當(dāng)時(shí)的情緒是既興奮又擔(dān)心，他說(shuō)：“全世界很多頂尖實(shí)驗(yàn)室都在攻克這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們不知道誰(shuí)在做，也不知道他們什么時(shí)候能做出來(lái)，這些年大家的努力奮斗一定會(huì)有回報(bào)，天道酬勤?！?

　　在接下來(lái)的一個(gè)半月時(shí)間里，研究團(tuán)隊(duì)在緊張焦灼中共同奮戰(zhàn)，進(jìn)一步提高樣品質(zhì)量，并與中科院物理所呂力研究組通力合作，對(duì)樣品進(jìn)行了30毫開(kāi)溫度下的極低溫輸運(yùn)測(cè)量，終于在2012年12月6日，觀(guān)測(cè)到了完美的量子化平臺(tái)——量子反常霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)了。?

　　在薛其坤教授看來(lái)，科學(xué)家的研究是為了建立原理和方法，為了以后研究更加成熟，為了和產(chǎn)業(yè)工業(yè)結(jié)合。所以，如何降低量子反?；魻栃?yīng)實(shí)現(xiàn)的苛刻條件要求，成為研究團(tuán)隊(duì)正在攀登的山峰。?

　　幾年來(lái)，這支隊(duì)伍一路攀登，一路收獲。2015年，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)零電導(dǎo)平臺(tái)的首次觀(guān)測(cè)；2014、2015年和2017年，團(tuán)隊(duì)在磁性摻雜拓?fù)浣^緣體的磁性和輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控方面取得多次突破……2018年，團(tuán)隊(duì)又實(shí)現(xiàn)兩個(gè)重要進(jìn)展，一是，大幅提高了量子反?；魻栃?yīng)觀(guān)測(cè)溫度；二是，首次實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)多層結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)成員何珂介紹說(shuō)，目前實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的溫度極低，這不僅阻礙了進(jìn)一步研究，也給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)挑戰(zhàn)。原來(lái)的溫度是比絕對(duì)零度高0.03度，現(xiàn)在是比絕對(duì)零度高0.3度，溫度提高了10倍。而量子反?；魻栃?yīng)多層結(jié)構(gòu)是指，把實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的一層薄膜，像搭磚塊兒一樣‘壘砌’起來(lái)。這就像以前只有一條電子運(yùn)行的高速公路，現(xiàn)在要建設(shè)立交橋，進(jìn)一步增強(qiáng)材料的導(dǎo)電能力。?

　　這個(gè)聽(tīng)起來(lái)不太明顯的變動(dòng)，其實(shí)在實(shí)驗(yàn)上有相當(dāng)大的難度。實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子反?；魻栃?yīng)層已經(jīng)非常困難了，要想形成一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，同時(shí)各層之間還能不受彼此干擾地正常運(yùn)轉(zhuǎn)就難上加難。不過(guò)，這也為探索更多新奇的拓?fù)淞孔游飸B(tài)，打下了一個(gè)非常好的基礎(chǔ)。?

　　如今，研究團(tuán)隊(duì)每天仍然花費(fèi)大量的時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室中，不斷去生長(zhǎng)樣品、測(cè)試，他們都期待能夠發(fā)現(xiàn)更多有趣的量子物態(tài)和量子效應(yīng)。?

　　140年前的物理學(xué)家霍爾，無(wú)法回答經(jīng)典霍爾效應(yīng)能做什么。但今天，經(jīng)典霍爾效應(yīng)已經(jīng)融入了我們?nèi)粘Ｉ钪?，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、家電、手機(jī)等行業(yè)。量子霍爾效應(yīng)也提供了一種超高性能電子器件的可能實(shí)現(xiàn)的途徑。而我國(guó)科學(xué)家率先發(fā)現(xiàn)的量子反常霍爾效應(yīng)，又進(jìn)一步擺脫了強(qiáng)磁場(chǎng)的桎梏，有條件實(shí)現(xiàn)器件的小型化。或許在不久的未來(lái)，會(huì)看到更多的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，讓我們拭目以待。



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