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2019年01月18日 来源: 焖白鳝网
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  捕捉量子世界的微光

  本报记者 任敏

  大红的获奖证书,格外醒目。将它捧在胸前,薛其坤心潮澎湃:“非常激动,非常兴奋,非常荣耀!”

  这是一年一度的国家科学技术奖励大会现场。

  凭借量子反常霍尔效应的实验发现,这位清华大学副校长、中国科学院院士带领团队摘得2018年度唯一的国家自然科学奖一等奖。这一出自中国实验室的重大成果,是全世界物理学凝聚态领域30多年来最重要的实验发现之一,被杨振宁誉为“诺贝尔奖级别”的科研成果。由此,薛其坤也被称为“离诺奖最近的院士”。

  从习近平总书记手中接过证书的幸福刹那,薛其坤脑海中闪现的,是7年前遭遇瓶颈时团队成员忙碌的身影。上千份样品、无数次重复之后,他们终于捕捉到量子世界的微光,迎来“见证奇迹”的一刻。

  一个非常有前景的预言

  量子反常霍尔效应,短短八个字,相当拗口。在2013年春天薛其坤团队对外宣布全球首次实验发现这一现象之前,中国公众对于这个物理学热词,甚为陌生。

  要理解这一概念,先得讲讲“霍尔效应家族”。1879年,美国物理学家霍尔发现了霍尔效应,它定义了磁场和感应电压之间的关系,当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力,从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。汽车里的很多传感器都与此有关。

  两年后,这位学者又发现了反常霍尔效应,即在有磁性的导体上,不外加磁场,也可观测到霍尔效应。整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的实验曾分别获诺贝尔物理学奖。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”。

  一般情况下,材料中电子的运动没有特定轨道,高度无序,电子和电子、电子和杂质都会形成碰撞,进而带来发热、能耗等难题。而在量子反常霍尔效应中,无需外加磁场,电子的运动却高度有序,犹如在高速公路上的汽车,各行其道,且不回头。薛其坤打了个比方,就像“电子高速公路”。这意味着,这一效应在制备低能耗的高速电子器件领域大有可为。

  但是,它真的存在吗?从实验上证实量子反常霍尔效应,一度成为凝聚态物理学家竞相追逐的焦点。

  2006年,美国斯坦福大学华裔科学家张首晟团队等首次提出,在拓扑绝缘体中引入磁性,将有可能实现量子反常霍尔效应。凝聚态物理和材料科学一直是薛其坤的研究领域,一直关注相关研究的他预感到:这是一个非常有前景的预言。

  2008年10月15日,薛其坤决定带领团队尝试实验验证。

  想要实现量子反常霍尔效应,实验条件非常苛刻。材料的电子结构必须具有独特的拓扑特性,材料必须具有长程铁磁序,材料的体内必须为绝缘态。三者缺一不可,且常常互相矛盾。

  尽管人员、资金、经验方面都不占优势,但薛其坤还是自信有制胜的法宝:精诚合作的团队,吃苦耐劳的精神。高质量的材料是实现量子反常霍尔效应的关键。分工,从一开始就明确,一组人负责拓扑绝缘体材料的生长,另一组人负责测量生长样品的特性。薛其坤自己则担任样品生长的总负责。

  薛其坤还发现,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类似,在他的指导下,仅三四个月时间,团队就在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学,可实现对样品生长过程在原子水平上的精确控制。这也让薛其坤团队比国际上其他同行更有胜算。

  “7-11”模式中与时间赛跑

  2010年完成对1纳米到6纳米厚度薄膜的生长和输运测量,2011年实现对拓扑绝缘体能带结构的精密调控,2011年底在准二维体、绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性,并利用外加栅极电压对其电子结构进行原位精密调控……

  两年间,量子反常霍尔效应所需的三个苛刻条件一一被实现!实验顺利得出奇,数据结果却不理想。

  通往科学的巅峰,从来没有坦途。

  薛其坤的博士生冯硝回忆,“即便满足所有条件,材料的各个参数也需要在微妙的平衡下,才有可能出现量子反常霍尔效应。”而实验有很多参数,不同参数间会产生无数种排列组合,这给排查问题带来很大难度。

  大家陷入集体焦虑,感觉“压力山大”。这时候,薛其坤发现了苗头,热情鼓励这群年轻人,“科学发现可以是偶然的,但是为科学发现做出准备则是必然的。”这位从沂蒙山区成长起来的科学家,考研三次才成功,读博7年才毕业。在他看来,挑战就是科研生活中的正常状态,“我们科学家就是要针对困难,解决困难。”

  是啊!这些挫折哪里算困难?人生的至难时刻,薛其坤早已品尝。那是1992年,读研第五年,他东渡日本留学,走进世界上最先进的实验室,却因为糟糕的英语听力无法学习并参与精密复杂的实验操作,时不时还因递错实验器件,遭受导师的“白眼”;他也不习惯实验室里早上7点到、晚上11点离开的“7-11”模式;他更想念远在祖国的妻儿,每次打电话回家,鼻子都酸酸的。语言不通,举目无亲,每天度日如年,薛其坤形容那段时光,“犹如孤独的小船,漂到大海深处,旁边没有任何地方可以靠岸。差点就过不去了!”

  “我是中国人,我爱自己的祖国……”与家人通话时,儿子给他背诵刚刚学到的课文。稚嫩的童音,让焦虑中的薛其坤为之一振,“我要对得起家人,对得起祖国。”

  再想家的时候,他就花半个小时,逼迫自己冷静、恢复;“7-11”时间太长,他就跑到厕所里关上门,花10分钟打个盹;语言能力也在日复一日的练习中精进。八九个月的“魔鬼训练”之后,薛其坤就开始独立操作仪器了,研究有了起色。尝到高度勤奋的甜头,他把“7-11”作息“复制”到双休日中,甚至把离开实验室的时间推迟至凌晨。

  回国后的薛其坤,也把“7-11”模式复制到研究所,复制到实验室。非常付出,换来非常回报。35岁时,他便晋级教授,41岁成为中国科学院最年轻的院士之一。

  在最困难的时刻,这种刻苦精神感染了团队中的年轻人。冯硝说,“组里的学生都很勤奋,有时候自己凌晨1点多从实验室离开,看到老师办公室的灯还亮着,会觉得很惭愧。”

  团队成员何珂记得,因为一个新点子,薛老师曾凌晨一两点给自己发邮件。更多学生印象中,即便下飞机已经夜里12点了,薛其坤还坚持到实验室看看。

  历经上千个样品后见证奇迹

  “你磨出来的针比别人更亮,你磨出来的镜子比别人更平,你把每一件小事做到最好,那你最终会享受科研带来的回报!”提起勤奋工作的乐趣,薛其坤双眼放光,不自觉地加快语速。

  在那长达半年的瓶颈期中,薛其坤鼓励学生把每一个细节搞清楚,把每一部分实验都做到极致。

  以往,研究团队担心几纳米厚的拓扑绝缘体材料被破坏,会设置一个衬底和一个保护层,并不断优化。一次,冯硝尝试反其道而行之,去除材料保护层之后,反而出现一块显示量子反常霍尔效应迹象的样品。

  2012年10月12日,一位团队成员在实验中发现,横向的霍尔电阻达到15000多欧姆,虽只有理想数值的0.6倍,但纵向的电阻出现下降,这与以前二者同步上升的趋势截然不同。

  那天薛其坤回家比平时早了一点,他清楚地记得,晚上10时30分左右,刚停下车就收到学生短信,这一消息让他非常振奋,“好像看到量子反常霍尔效应的尾巴!”他立即组织团队,设计出多套方案,布置实验细节。作为严谨的实验物理学家,经验告诉他,一次的测量结果并不能说明问题,多次重复验证才能得到可靠的数据。在最后阶段,他还邀请中国科学院物理所的吕力实验组一起合作,后者的稀释制冷机可以把实验温度推进到接近绝对零度的极低温。

  一个半月后的12月8日,是值得铭记的日子。

  实验室里,大家紧盯着屏幕。数据几番跳跃,霍尔电阻停在25813欧姆,形成了一个平台,此时纵向电阻急剧降低并趋近于零。

  成功了!量子反常霍尔效应出现了!这在全世界尚属首次!4年,历经上千个样品,无数次生长、测量、反馈、调整之后,他们终于迎来“见证奇迹”的时刻。获得最终数据的那天,薛其坤特意打开两瓶香槟酒和大家一起庆祝。

  2013年3月15日,全球著名学术期刊《科学》在线刊登这一成果。同年4月,在清华大学的新闻发布会上,曾荣获诺贝尔物理学奖的杨振宁先生盛赞:“这是第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文。”

  一位美国知名物理学家向课题组发来邮件,“看到你们的结果,我真感觉有些嫉妒。但回过头想起来,这个工作巨大的难度也确实让我们叹为观止”。

  2014年至2016年,东京大学、加州大学、麻省理工学院、普林斯顿大学先后重复验证这一发现。瑞典皇家科学院编写的《2016年诺贝尔物理奖科学背景介绍》中,将此发现列为拓扑物质领域代表性的实验突破。

  “梦之队”继续探秘量子世界

  攀登科学高峰,永无止境。自2012年年底首次发现量子反常霍尔效应以来,团队中三四个课题组保持着长期紧密的合作,7年来,一项又一项激动人心的突破接踵而至:

  2015年,实现量子反常霍尔效应零电导平台的首次观测;

  2014年、2015年和2017年,在磁性掺杂拓扑绝缘体的磁性和输运性质的调控方面取得重大突破;

  2018年,团队将量子反常霍尔效应观测温度提高10倍,并首次实现量子反常霍尔效应多层结构,犹如搭建起电子通行的“立交桥”。

  作为一个全新的科学效应,量子反常霍尔效应已经形成全新的研究方向。

  薛其坤说,目前,有三个细分方向他们正在努力,其一,以量子反常霍尔效应作为起点,探索发现新的电子运动规律;其二,提高观察温度或量子反常霍尔效应出现的温度;其三,尝试以更廉价更实用的材料体系制作样品,为将来大规模工业化应用打好基础。

  “为国家培养有国际竞争力的人才,做出让其他国家羡慕尊重的科研成果来,以前这话不敢说,但现在我觉得,这是我这个年龄段的中国科学家应该做的事。”如今,作为清华副校长,薛其坤更以“时不我待”的状态投身科研,“既然享受科研,我更要把所有时间投入其中,在享受中完成使命。”

  2017年年底,北京量子信息科学研究院成立,薛其坤出任首任院长。研究院将整合北京地区现有量子物态科学、量子通信、量子计算等领域骨干力量,引进全球顶尖人才,在理论、材料、器件、通信与计算及精密测量等方面开展基础前沿研究,并推动量子技术走向实用化、规模化、产业化。

  如今,走进量子反常霍尔效应团队实验室,仿佛步入科幻世界,复杂的管线密布,银白色锡纸裹着的不锈钢腔体是超高真空环境,其中正利用分子束外延技术制备薄膜,将这些薄膜通电流之后就可做输运测量。制备样品、测量、分析……一切都有条不紊。

  一项新的科学发现,往往意味着人类对自然界的认知又达到一个新的高度,薛其坤乐观地展望,“以量子反常霍尔效应的发现为起点,我们还期待着发现更多新的关于微观世界的电子运动规律,未来的想象空间是非常大的。”

  “Knowledge is limited。Imagination encircles the world。”(知识是有限的,想象力却能容纳世界)实验室墙壁上,爱因斯坦的名言每天都激励着薛其坤和他的“梦之队”,继续探秘量子世界的未抵之境。

  量子霍尔效应

  电子运动的“交通规则”

  一般情况下,材料中电子的运动轨迹高度无序,电子和电子、电子和杂质都会形成碰撞,进而带来发热、能耗等。在量子霍尔效应中,通过外加磁场,电子运动变得高度有序,可实现分道行驶,互不干扰,犹如形成“电子高速公路”;而在量子反常霍尔效应中,无需外加磁场,即可实现这类现象。


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