发现量子反常霍尔效应为人类科学知识宝库贡献璀璨明珠

2019年1月8日召开的国家科学技术奖励大会上，中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤领衔，由清华大学和中科院物理所实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”摘得2018年度国家自然科学奖一等奖。

量子反常霍尔效应的首次实验发现，是世界物理学界近几年最重要的实验进展之一。诺贝尔奖获得者杨振宁评价其为“第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文”。

巨大的实验挑战成就非凡的意义

量子霍尔效应是现代物理学的重要研究领域，与其相关的研究发现曾四次摘得诺贝尔奖。与宏观世界不同，微观世界的运行由量子力学规律支配。能够在宏观尺度显示量子力学效应的量子材料让科学家们梦寐以求。然而，从真实材料中发现量子反常霍尔效应，在实验上一直没有取得任何进展。薛其坤说，要观察到量子反常霍尔效应，需要材料的性质同时满足三个苛刻条件：绝缘的、拓扑的、磁性的。但在实际材料中，实现以上任何一点都具有相当大难度，更别说同时满足三点。“就如同要求一个人同时具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度、体操运动员的灵巧一样。”用薛其坤的话说，这是一个“自相矛盾”的要求。幸运的是，2008年，薛其坤团队抓住拓扑绝缘体这个新领域的契机，在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的生长动力学机制，并利用扫描隧道显微镜揭示出拓扑绝缘体表面态的拓扑保护性和朗道量子化独特性质。

2009年，薛其坤领导的实验团队对量子反常霍尔效应的实验进行攻关。2012年底，团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后，终于实现了反常霍尔效应的量子化。为了实现这一基础科学领域的重大突破，薛其坤和他的团队花了整整4年时间。薛其坤形象地说，量子反应的量子化的发现可以改变电子的运动轨迹，使其像在高速公路上行驶的汽车一样有序。这项研究成果将会推动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、能量耗损等问题。对普通大众来说，最直接的影响就是有可能摆脱手机或电脑发热、耗电快、运行慢等困扰。

团队合作只为攻克一个不确定目标

重大实验发现是对人类智慧的一个巨大挑战，这对研究团队的科研素养和积累，以及实验技术水平的要求都非常高。量子反常霍尔效应的发现是团队精诚合作，联合攻关的共同成果，是中国科学家的集体荣誉。薛其坤自豪地说大家为了一个共同的不确定的目标，从单兵作战走到了一起。“瞄准同一重大科学目标，不同擅长但相对独立的单元科研团队的成员间形成了高效合作，其深度和持久性在国内外也不多见。”

自2009年起，在薛其坤带领下，这支团队在近4年的时间里，生长和测量了超过1 000个样品。现在，这个诞生于中国本土的优秀科研团队仍然在为量子反常霍尔效应的应用前景奋斗着。薛其坤表示，任何一个现象从原理性的发现走到应用，都需要不同领域科学家和工业界的共同努力，他和团队愿意与更多人合作，努力将这个领域发扬光大，不断推动它向应用方向发展。

做基础研究离不开强大的国家支持

谈到从事这个项目最大的挑战，薛其坤认为并非来自技术层面，而是目标的不确定性。“也不知道沿着这条路走下去到底对不对。”展开实验的4年里，团队成员通过一次次的生长、测量、反馈、调整，争取每一步都做到极致。背后支撑实验一步一个脚印走下去的是精密的试验系统，这是实验水平和科研能力的集中彰显。薛其坤团队的实验室位于清华大学一栋普通实验楼内，踏入实验室，映入眼帘的是密密麻麻摆放着的科研仪器，其中有五套精密实验系统在世界范围内绝无仅有，这些仪器成就了实验技术的最好水平。为保障薛其坤团队的研究开展，清华大学通过各种途径创造最优工作环境。“这在很大程度上得益于最近20年中国对基础研究的重视和大力投入。

“薛其坤说。量子反常霍尔效应的发现，堪称我国在基础研究上的一个重大成果。薛其坤认为，日益强大的国力、良好完善的科技政策、科学系统的科技规划、催人奋进的创新氛围是基础和保障。建立新的科学理论、发现新的科学效应和科学规律是基础研究皇冠上的明珠。摘取这颗明珠，一直是薛其坤团队科研道路上的动力与使命。量子反常霍尔效应的发现，就是薛其坤团队为人类科学知识宝库贡献的一颗璀璨明珠。“为人类发展和科学进步做贡献，同样是一个国家强大的标志。”薛其坤说，“科学技术应用无国界，中国科学家应该为人类命运共同体的建造，为世界科学的进步贡献自己的力量。”