追梦电子“高速公路” ：记国家自然科学一等奖薛其坤团队

国家自然科学一等奖薛其坤团队  许德刚摄

1月8日，2018年度国家科技奖揭晓。由清华大学物理系和中国科学院物理研究所的科研人员组成的联合攻关团队，因成功在实验上发现量子反常霍尔效应，获得2018年度国家自然科学一等奖。

“天道酬勤。”接受《中国科学报》记者采访时，薛其坤用一口山东味的普通话吐露这一朴实的心声。这也是该团队多年来追梦电子“高速公路”的真实写照。

目标锁定电子“高速公路”

要弄清楚什么量子反常霍尔效应，要从普通人的切身体验说起。你大概经常遇到这样的问题——手机或电脑用上一段时间就会发热，用不到一天就得充电，越用越卡……

在物理学家看来，这个问题的本质在于电子运动会消耗能量。这不仅是制造算力要求高的电子器件的限制，也是科学界长期关注的难题。

要让电子运动绝对无能耗，就必须将其杂乱无章的运动变成“高速公路”一样的有序运动。对电子运动制定规则的“量子霍尔效应”成为解决这个问题的希望。但由于实现“量子霍尔效应”需要庞大的外加磁场，成本高昂，因此无磁场的“量子反常霍尔效应”成为科学家的梦想。

“研究量子反常霍尔效应是科学发展中自然的选择，这也是学术发展的趋势。”薛其坤告诉《中国科学报》记者。1994年，薛其坤在物理所获得博士学位，并于1999年从日本留学归国后入选中科院“百人计划”加盟物理所，直到2005年调入清华大学。

基于团队在拓扑物态领域积累的经验，薛其坤踏上寻找“量子反常霍尔效应”的征途。

“千里挑一”和“步步为营”

在理论上，实现“量子反常霍尔效应”所需材料的条件非常苛刻。近几年“火”起来的拓扑绝缘体，给薛其坤团队提供了思路。

2009年，科学家从理论上预言了碲化铋（Bi₂Te₃）能够实现“量子反霍尔效应”。随后，中科院物理所研究人员从理论上提出Cr或Fe磁性离子掺杂的碲化铋等拓扑绝缘体薄膜是实现量子反常霍尔效应的最佳体系，预言在磁性掺杂的拓扑绝缘体材料中可真正观察到“量子反常霍尔效应”。

基于上述预言，薛其坤团队与清华大学、中科院物理所、斯坦福大学的研究者合作，对量子反常霍尔效应的实验开始了“大浪淘沙”的攻关。在物理所学习和工作期间，薛其坤主要开展了分子束外延生长及高质量薄膜制备的实验，调入清华大学工作后仍与物理所研究团队保持着密切合作。

研究团队共生长测量了超过1000个样品，可谓“千里挑一”。随后，他们一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，与当时在物理所工作的何珂、马旭村充分酝酿，利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂碲化铋拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”。

2013年，这项成果在《科学》（Science）上在线发表。“这是一篇里程碑式的文章。”《科学》审稿人对文章给予了高度评价。

其中，中科院物理所崔琦实验室完成了对这一实验现象的极低温电输运测量，获得了量子反常霍尔效应的关键实验证据。该实验室主任吕力对《中国科学报》记者表示：“六年多前，我受薛其坤邀请，和当时的博士研究生沈洁一起，有幸参与了这一实验，并最终在实验上实现了反常霍尔效应的完全量子化。”

据了解，该实验室于2006年成立，掌握着国际领先的极低温输运测量技术。其创始人崔琦就曾因发现分数量子霍尔效应，获得了1998年的诺贝尔物理奖。

“这次以崔琦先生名字命名的实验室能够参与到量子反常霍尔效应的实验发现这一工作中来，不失为拓扑量子物态研究方面的一段佳话，也是得益于不同单位科学家之间的通力合作。”吕力表示。

小目标和大梦想

回首多年来的探索与研究，薛其坤认为，数年如一日的坚守“大梦想”的背后离不开团队成员对于科学“小目标”的追求。

“我们每天都会为实验制定详细的计划。”接受《中国科学报》专访时，薛其坤说。例如，对不同温度下反应结果的观测，这看起来是一个小目标，但每提高或降低一度都可能意味着重大的新发现。

“最困难的是发现科学问题，如果无论升高或降低温度都无法解决问题，可能就需要重新分析并开展其他实验。”

正是计划中的这些“小目标”，让他们对科学保持着持久的热忱与动力。

薛其坤透露，目前团队已将量子反常霍尔效应的观测温度从30mk提升到1K，实现了30倍的增长。

展望未来，薛其坤表示，量子反常霍尔效应可以用于发展新一代低能耗晶体管和电子学器件，克服芯片发热和能量损耗问题，加速信息技术革命进程，但距离产业化应用还有很长的一段路要走。

不积跬步，无以至千里。薛其坤称，未来将带领团队踏实走好每一小步，实现大目标。“这是合格的科研工作者应有的态度”。他强调。

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