國家自然科學一等獎薛其坤團隊 許德剛攝
1月8日，2018年度國家科技獎揭曉。由清華大學物理系和中國科學院物理研究所的科研人員組成的聯合攻關團隊，因成功在實驗上發現量子反常霍爾效應，獲得2018年度國家自然科學一等獎。
“天道酬勤。”接受《中國科學報》記者采訪時，薛其坤用一口山東味的普通話吐露這一樸實的心聲。這也是該團隊多年來追夢電子“高速公路”的真實寫照。
目標鎖定電子“高速公路”
要弄清楚什么量子反常霍爾效應，要從普通人的切身體驗說起。你大概經常遇到這樣的問題——手機或電腦用上一段時間就會發熱，用不到一天就得充電，越用越卡……
在物理學家看來，這個問題的本質在于電子運動會消耗能量。這不僅是制造算力要求高的電子器件的限制，也是科學界長期關注的難題。
要讓電子運動絕對無能耗，就必須將其雜亂無章的運動變成“高速公路”一樣的有序運動。對電子運動制定規則的“量子霍爾效應”成為解決這個問題的希望。但由于實現“量子霍爾效應”需要龐大的外加磁場，成本高昂，因此無磁場的“量子反常霍爾效應”成為科學家的夢想。
“研究量子反常霍爾效應是科學發展中自然的選擇，這也是學術發展的趨勢。”薛其坤告訴《中國科學報》記者。1994年，薛其坤在物理所獲得博士學位，并于1999年從日本留學歸國后入選中科院“百人計劃”加盟物理所，直到2005年調入清華大學。
基于團隊在拓撲物態領域積累的經驗，薛其坤踏上尋找“量子反常霍爾效應”的征途。
“千里挑一”和“步步為營”
在理論上，實現“量子反常霍爾效應”所需材料的條件非常苛刻。近幾年“火”起來的拓撲絕緣體，給薛其坤團隊提供了思路。
2009年，科學家從理論上預言了碲化鉍（Bi2Te3）能夠實現“量子反霍爾效應”。隨后，中科院物理所研究人員從理論上提出Cr或Fe磁性離子摻雜的碲化鉍等拓撲絕緣體薄膜是實現量子反常霍爾效應的最佳體系，預言在磁性摻雜的拓撲絕緣體材料中可真正觀察到“量子反常霍爾效應”。
基于上述預言，薛其坤團隊與清華大學、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開始了“大浪淘沙”的攻關。在物理所學習和工作期間，薛其坤主要開展了分子束外延生長及高質量薄膜制備的實驗，調入清華大學工作后仍與物理所研究團隊保持著密切合作。
研究團隊共生長測量了超過1000個樣品，可謂“千里挑一”。隨后，他們一步一步實現了對拓撲絕緣體的電子結構、長程鐵磁序以及能帶拓撲結構的精密調控，與當時在物理所工作的何珂、馬旭村充分醞釀，利用分子束外延方法生長出了高質量的Cr摻雜碲化鉍拓撲絕緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運測量裝置上成功地觀測到了“量子反常霍爾效應”。
2013年，這項成果在《科學》（Science）上在線發表。“這是一篇里程碑式的文章。”《科學》審稿人對文章給予了高度評價。
其中，中科院物理所崔琦實驗室完成了對這一實驗現象的極低溫電輸運測量，獲得了量子反常霍爾效應的關鍵實驗證據。該實驗室主任呂力對《中國科學報》記者表示：“六年多前，我受薛其坤邀請，和當時的博士研究生沈潔一起，有幸參與了這一實驗，并最終在實驗上實現了反常霍爾效應的完全量子化。”
據了解，該實驗室于2006年成立，掌握著國際領先的極低溫輸運測量技術。其創始人崔琦就曾因發現分數量子霍爾效應，獲得了1998年的諾貝爾物理獎。
“這次以崔琦先生名字命名的實驗室能夠參與到量子反常霍爾效應的實驗發現這一工作中來，不失為拓撲量子物態研究方面的一段佳話，也是得益于不同單位科學家之間的通力合作。”呂力表示。
小目標和大夢想
回首多年來的探索與研究，薛其坤認為，數年如一日的堅守“大夢想”的背后離不開團隊成員對于科學“小目標”的追求。
“我們每天都會為實驗制定詳細的計劃。”接受《中國科學報》專訪時，薛其坤說。例如，對不同溫度下反應結果的觀測，這看起來是一個小目標，但每提高或降低一度都可能意味著重大的新發現。
“最困難的是發現科學問題，如果無論升高或降低溫度都無法解決問題，可能就需要重新分析并開展其他實驗。”
正是計劃中的這些“小目標”，讓他們對科學保持著持久的熱忱與動力。
薛其坤透露，目前團隊已將量子反常霍爾效應的觀測溫度從30mk提升到1K，實現了30倍的增長。
展望未來，薛其坤表示，量子反常霍爾效應可以用于發展新一代低能耗晶體管和電子學器件，克服芯片發熱和能量損耗問題，加速信息技術革命進程，但距離產業化應用還有很長的一段路要走。
不積跬步，無以至千里。薛其坤稱，未來將帶領團隊踏實走好每一小步，實現大目標。“這是合格的科研工作者應有的態度”。他強調。
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