我国迷信家发明量子变态霍尔效应背地的故事

2014-08-07 10:35 来源：http://www.ceo315.org/ 阅读：次

　　2008年10月15日，薛其坤院士明白地记得这个日子。在课题组例行的组会上，学生在做文献交换时先容了拓扑绝缘体的概念以及相干研究结果。从此，“拓扑绝缘体”走进了薛其坤院士的视线。

　　在凝聚态物理的研究中，量子霍尔效应占领着极其重要的地位，此前在这方面的重要工作包含——

　　薛其坤院士强调，真正的科学发现是为人类增添新常识，所以研究需要很长的过程，需要多年专业的训练和积累，也需要一批经由严厉练习的专业选手来攻关。“重大实验发现是对人类的智慧的一个宏大挑战，这对研究团队的科研素养和积聚、对实验技术水平请求非常高。我们的团队成员在各自的领域都是一流的‘专业选手’，我们的研究团队具备了国际领先的水平。”

　　薛其坤团队在国际上率先树立了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延成长能源学，并长出了高品质的薄膜。从这一天起，他们就在世界上当先，并且始终将这个上风坚持下去，直至终极得到完善的实验成果。

消息背景

　　最终数据出来的那天，薛其坤带了两瓶香槟酒，与团队成员一起合影，留下这可贵的回想。那是2012年10月，离2008年10月实验开始已整整4年。

　　□石墨烯中的半整数量子霍尔效应（2005年发现，2010年诺贝尔物理奖）；

　　在当今信息社会，半导体技术飞速发展，但电脑运行中热量如何披发成为困扰半导体和信息工业发展的一个瓶颈问题。而量子反常霍尔效应的发现将有望解决这一困难。因为这一效应可能在将来电子器件中施展特别作用，可用于制备低能耗的高速电子器件。科学家可使电子在不需要强磁场的情形下，依照固定轨迹活动，减少电子无规矩碰撞导致的发烧和能量损耗。通过密度集成，未来计算机的体积也将大大缩小，千亿次的超级盘算机有望做成现在的iPad那么大。因而，这一科研成果的利用远景非常辽阔。

　　三维拓扑绝缘体的理论预言和高质量拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学及电子态研究等系列成果在国际学术界引起了普遍的关注，并以总得票排名第一入选了“2010年度中国科学十大进展”。

　　材料的生长动力学描写的是如何从一个个原子的反映最后造成一个宏观样品的过程，只有把握了材料的生长动力学，才干精确地节制材料的生长。从1992年攻读博士学位起，薛其坤就一直从事薄膜生长动力学的体系研究，至今已经累积了20余年的教训，并已失掉两项国度做作科学奖二等奖。

　　——2010年，他们实现了对1纳米到6纳米（头发丝粗细的万分之一）厚度薄膜的生长和输运测量，得到了系统的结果，从而使得准二维拓扑绝缘体的制备和输运测量成为可能；

　　“为什么别国没有成功而在中国取得成功，这与中国整个科研体系有关，同时与人文关联有很大影响，值得研究。这是一件大喜事。”杨振宁传授说。量子反常霍尔效应这个重大的科学发现证实，中国科学家的科学素养、研究水温和对实验技术的掌握，已经与国际进步水平接轨。在中国加大投入基础科学研究20年后，中国科学界已经具备一批国际水平的科学家，可以向世界科学领域“亮剑”。

——我国科学家发现量子反常霍尔效应背地的故事

　　□量子化自旋霍尔效应（2007年发现，2010年欧洲物理奖，2012年美国物理学会巴克利奖）。

　　量子反常霍尔效应是在此范畴的又一个重大进展，有可能是量子霍尔效应家族的最后一个主要成员。

　　接下来的几天里，团队成员们用“诚惶诚恐”来形容当时本人的心境。谨严的迷信精力告知他们，一次结果并不能阐明问题，他们须要用不同的样品做屡次反复实验。

　　量子反常霍尔效应是一个全新的量子效应，由于其存在不需要外加磁场，因此在运用方面比此前发现的量子霍尔效应要便利得多，可以推进新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展，解决电脑发热等问题。因此从实践研究和实验上实现量子反常霍尔效应，成为世界凝集态物理学家关注的焦点。

　　□分数目子霍尔效应（1982年发现，1998年诺贝尔物理奖）；

　　就这样，团队成员在从前的4年里共生长和测量了超过1000个样品，并通过一次次的生长、测量、反馈、调剂，争夺在每一步都做到极致。工夫不负有心人，一个个冲动人心的成果相继而来：

　　——2011年，他们实现了对拓扑绝缘体能带构造的精细调控，使其成为真正的绝缘体，去除了体内电子对输运性质的影响；

　　“最开始的时候不要说量子化的反常霍尔效应，就连这些材料在分开超高真空的生长环境后，我们是否获得牢靠的输运数据都没有掌握。”王亚愚说。然而，恰是薛其坤团队在高质量样品生长方面的深沉基础，特别是薛其坤院士自己在样品生长关键技术方面的具体指点，使得他们在建立了拓扑绝缘体生长动力学的基础上，最终战胜了重重艰苦。

　　实验顺利地进行着，25800欧姆，所有人等待着这个标记性的数值，然而不人晓得神秘的微观世界毕竟会产生什么，之前一直做不到25800这个数值，然而当初假如超过了怎么办？数据不停地跳动着，10000、20000、25800！数据愣住了！材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到量子电阻的数值并构成一个平台，同时纵向电阻急剧下降并趋近于零，这是量子化反常霍尔效应的特点性行动。

　　在凝聚态物理中，量子霍尔效应盘踞着极其重要的地位。整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的实验发现分辨于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。这次中国科学家首次在实验上观测到的量子反常霍尔效应，被认为可能是量子霍尔效应家族最后一个有待实验发现的成员。为了实现这一基础科学领域的重大冲破，薛其坤院士和他的团队整整花了4年时光。

　　在诺贝尔物理奖取得者、清华大学高级研究院声誉院长杨振宁教学看来，薛其坤院士领衔的科研团队获得的，是“诺贝尔级别的科研成果”。

　　物理在人类的生涯中无处不在，而重大的实验物理发现可以让人类意识和控制天然界的法则，从而推动听类社会的提高。

　　薛其坤院士以为，这一科研发现在很大水平上得益于最近20年中国对基本研究的器重和鼎力投入。从2005年到2007年，时任清华大学物理系主任的朱邦芬院士先后引进了薛其坤、陈曦、王亚愚3位实验物理学家，并通过各种道路给他们发明尽量好的工作前提。中科院物理所也为马旭村引导的名义物理研究组和吕力领导的极低温输运研究组供给了鼎力支撑。这些科学家每个人都在各自的领域做到了世界领先水平，并紧密合作，最终实现了量子反常霍尔效应这样的重大科学发现。

来源：中国教导报 2013 *** 4 *** 11 唐景莉

以科学家灵敏的目光锁定至高目的

成果应用前景广阔

　　——2011年底，他们在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性，并应用外加栅极电压对其电子结构进行原位精密调控，一步一步靠近奇迹呈现的时刻。

　　（材料起源：清华大学、中国科技网）

　　130多年前，美国物理学家霍尔先后发现了霍尔效应和反常霍尔效应。在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端发生电压，这个电磁输运现象就是有名的霍尔效应。而不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是霍尔反常效应。

攻克量子世界的制高点

　　刚好在这个要害的时刻，张首晟作为&ldquo,清华大学培训班;千人打算”学者受聘于清华大学，自此与薛其坤团队开端了紧密的合作研究。他们决议把研究的重点放在量子反常霍尔效应上，由于这无疑是拓扑绝缘体领域最具影响力的工作。

　　3月18日，在范围巨大的美国物理学会年会上，清华大学薛其坤院士成了焦点人物——许多华人科学家和相熟的本国学者纷纭走到他眼前向他表现庆祝。这些都源于今年3月15日《科学》（Science）杂志在线发表文章，发布由薛其坤院士领衔的清华大学物理系和中科院物理所结合组成的实验团队，从实验上首次发现量子反常霍尔效应，这意味着量子霍尔效应物理领域一个期待已久的重要景象已经被中国科学家率先观测到。

　　现在，这个出生于中国本土的优秀科研团队依然在为量子反常霍尔效应的应用前景而斗争着。薛其坤表示：“任何一个现象从原感性的发现走到应用，都需要不同领域的科学家和产业界的共同努力，我们也会与更多的人合作将这个领域发挥光大，推动它向应用的发展。”

　　为了在剧烈的国际竞争中怀才不遇，薛其坤院士对团队成员进行了合理的分工。因为高质量的材料是实现这一量子效应的关键，薛其坤亲自担负样品生长的总负责人，并指定由中科院物理所马旭村研究组的何珂率领几位研究生详细进行。反常霍尔效应测量则由清华大学物理系的王亚愚负责。当时何珂刚进入物理所工作，王亚愚在清华的输运实验室也刚刚搭建调试结束。两个年青人对可能负责这样重大的研究课题觉得无比高兴，然而在研究中碰到的挑衅也给他们带来很大的压力。

名词说明

　　“我们很荣幸有一批优秀的研究生。”王亚愚说，“他们不仅工作勤恳，而且因为思维没有受到约束，在研究过程中常常会提出一些让我们惊奇的奇思妙想。”实验的良多症结步骤，都是学生们在详细的工作和彼此的探讨中探索出来的。“在这个研究过程中，我们和学生是一起成长的。”王亚愚说。

中国优良科研团队向世界“亮剑”

　　然而，全部团队没有废弃，而是抉择独辟蹊径，最终找到了一条现在看来十分公道的技巧路线。这在很大程度上得益于样品生长和输运丈量研究组的紧密合作，团队成员简直天天都通过邮件和电话交流实验结果，每隔两三周都会进行一次充足的讨论，剖析实验的所有细节，制订详尽的下一步规划。“我们这些有不同特长、不同性情、不同思路的研究人员为了一个独特的目标而尽力，相互交流，互相增进，是取得成功的关键。”何珂说。

　　固然材料生长动力学这一关键问题得以解决，但这并不象征着接下来的工作就是一片坦途。

霍尔效应

见证奇迹的时刻

　　拓扑绝缘体这个凝聚态物理中的新领域是由斯坦福大学的张首晟教授与来自美国和德国的另外两位科学家共同首创的。张首晟教授和薛其坤院士深挚的友情和紧密的交流使他们意识到，这是一个非常值得在中国进行深刻探索的领域。从那时起，他们就开展了对拓扑绝缘体中离奇量子效应的实验研究。在一年多的时间内，他们与清华大学物理系的陈曦和贾金锋教授，以及中科院物理所的马旭村研究员合作，在拓扑绝缘体的样品生长和原位电子态研究方面取得一系列举世瞩目标成果。尔后，他们瞄准了更高更难的目标：在实验上实现量子反常霍尔效应，也就是零磁场中的量子霍尔效应。

　　□整数量子霍尔效应（1980年发现，1985年诺贝尔物理奖）；

　　2012年10月的一个晚上，薛其坤院士收到学生的短信，他们在实验中发明了量子变态霍尔效应的迹象。当晚薛其坤即时组织团队职员，设计出多少套计划，安排好了下一步的试验，特殊是跟中科院物理所吕力研讨组配合，将实验推动到濒临相对零度的极低温。

　　“这项成果是我们团队精诚合作，联合攻关的共同成果，是中国科学家的群体声誉。”薛其坤、张首晟、方忠等都重复向记者强调这一点。

　　在拓扑绝缘体研究的初期，薛其坤就敏锐地意识到，拓扑绝缘体材料的生长动力学与自己长期从事的砷化镓研究有异常相似的处所。于是，他敏捷制定了实验方案——按照生长砷化镓的方式进行实验，首先建立起拓扑绝缘体材料的生长动力学。

　　历史将这一时刻定格——在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后，人类终于实现了其量子化！实验结果如斯清洁美丽，数据完美得不堪设想，让每位成员都感慨“真是见证奇观的时刻”。

量子霍尔效应研究已三获诺贝尔奖

　　在薛其坤的亲身领导下，团队仅用三四个月，就在国际上率先建破了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学，实现了对样品生长进程在原子水平上的准确把持，使得薄膜样品的质量很快到达了国际领先程度。“能够说就是从建立起这类材料的生长动力学的这一天起，咱们就奠定了在这项研究中的领先位置。”薛其坤说。

严密协作寻求极致通往胜利之路

资料生长动力学成为实验成功的制胜兵器