“這個(gè)研究成果是從中國(guó)實(shí)驗(yàn)室里，第一次發(fā)表出來(lái)了諾貝爾物理獎(jiǎng)級(jí)別的論文，這不僅是清華大學(xué)、中科院的喜事，也是整個(gè)國(guó)家發(fā)展中喜事?！?月10日，諾貝爾物理獎(jiǎng)得主、清華大學(xué)高等研究院名譽(yù)院長(zhǎng)楊振寧教授高度評(píng)價(jià)了我國(guó)科學(xué)家的重大發(fā)現(xiàn)——量子反?；魻栃?yīng)。

　　由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜、清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所組成的試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)。這一世界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的重大研究成果，從理論研究到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)全部由我國(guó)科學(xué)家獨(dú)立完成。美國(guó)《科學(xué)》雜志于3月14日在線發(fā)表這一研究成果。由于此前和量子霍爾效應(yīng)有關(guān)的科研成果已經(jīng)3獲諾貝爾獎(jiǎng)，業(yè)界很多人士對(duì)這項(xiàng)“可能是量子霍爾效應(yīng)家族最后一個(gè)重要成員”的研究給予了極高的關(guān)注和期望。那么什么是量子反?；魻栃?yīng)？對(duì)它的研究為什么引起世界各國(guó)科學(xué)家的興趣？它的發(fā)現(xiàn)有什么重大意義？

重要性

突破摩爾定律瓶頸加速推動(dòng)信息技術(shù)革命進(jìn)程

　　在認(rèn)識(shí)量子反?；魻栃?yīng)之前，讓我們先來(lái)了解一下量子霍爾效應(yīng)。量子霍爾效應(yīng)，于1980年被德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，是整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中重要、最基本的量子效應(yīng)之一。它的應(yīng)用前景非常廣泛。

　　薛其坤院士舉了個(gè)簡(jiǎn)單地例子：我們使用計(jì)算機(jī)的時(shí)候，會(huì)遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗速度變慢等問(wèn)題。這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動(dòng)沒(méi)有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生熱量損耗。而量子霍爾效應(yīng)則可以對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)制定一個(gè)規(guī)則，讓他們?cè)诟髯缘呐艿郎稀耙煌鶡o(wú)前”地前進(jìn)。“這就好比一輛高級(jí)跑車，常態(tài)下是在擁擠的農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)上前進(jìn)，而在量子反?；魻栃?yīng)下，則可以在‘各行其道、互不干擾’的高速路上前進(jìn)?！毖ζ淅ご蛄藗€(gè)形象的比喻。

　　然而，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，“相當(dāng)于外加10個(gè)計(jì)算機(jī)大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價(jià)格昂貴，不適合個(gè)人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)。”薛其坤說(shuō)，而量子反?；魻栃?yīng)的美妙之處是不需要任何外加磁場(chǎng)，在零磁場(chǎng)中就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小?/P>

　　自1988年開始，就不斷有理論物理學(xué)家提出各種方案，然而在實(shí)驗(yàn)上沒(méi)有取得任何進(jìn)展。2010年，我國(guó)理論物理學(xué)家方忠、戴希等與拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域的開創(chuàng)者之一張首晟教授合作，提出磁性摻雜的三維拓?fù)浣^緣體有可能是實(shí)現(xiàn)量子化反?；魻栃?yīng)的最佳體系。這個(gè)方案引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。德國(guó)、美國(guó)、日本等有多個(gè)世界一流的研究組沿著這個(gè)思路在實(shí)驗(yàn)上尋找量子反常霍爾效應(yīng)，但一直沒(méi)有取得突破。

　　薛其坤團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)近4年的研究，生長(zhǎng)測(cè)量了1000多個(gè)樣品。利用分子束外延方法，生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的Cr摻雜（Bi，Sb）2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運(yùn)測(cè)量裝置上成功觀測(cè)到了量子反?；魻栃?yīng)。

　　“量子反?；魻栃?yīng)可在未來(lái)解決摩爾定律瓶頸問(wèn)題，它發(fā)現(xiàn)或?qū)?lái)下一次信息技術(shù)革命，我國(guó)科學(xué)家為國(guó)家爭(zhēng)奪了這場(chǎng)信息革命中的戰(zhàn)略制高點(diǎn)?！蓖?fù)浣^緣體領(lǐng)域的開創(chuàng)者之一、清華大學(xué)“千人計(jì)劃”張首晟教授說(shuō)。

創(chuàng)新性

　　讓實(shí)驗(yàn)材料同時(shí)具備“速度、高度和靈巧度”

　　從美國(guó)物理學(xué)家霍爾丹于1988年提出可能存在不需要外磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)，到我國(guó)科學(xué)家為這一預(yù)言畫上完美句號(hào)，中間經(jīng)過(guò)了20多年。課題組成員、中科院物理所副研究員何珂告訴記者：“量子反?；魻栃?yīng)實(shí)現(xiàn)非常困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控。盡管多年來(lái)各國(guó)科學(xué)家提出幾種不同的實(shí)現(xiàn)途徑，但所需的材料和結(jié)構(gòu)非常難以制備，因此在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)展緩慢。

　　“這就如同要求一個(gè)運(yùn)動(dòng)員同時(shí)具有劉翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的靈巧度。在實(shí)際的材料中實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都具有相當(dāng)大的難度，而要同時(shí)滿足這三點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來(lái)講是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)?！闭n題組成員、清華大學(xué)王亞愚教授這樣描述實(shí)驗(yàn)對(duì)材料要求的苛刻程度。

　　實(shí)驗(yàn)中，材料必須具有鐵磁性從而存在反?；魻栃?yīng)；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，只有一維邊緣態(tài)參與導(dǎo)電；材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦詮亩哂袑?dǎo)電的一維邊緣態(tài)，即一維導(dǎo)電通道。

　　2010年，課題組完成了對(duì)1納米到6納米（頭發(fā)絲粗細(xì)的萬(wàn)分之一）厚度薄膜的生長(zhǎng)和輸運(yùn)測(cè)量，得到了系統(tǒng)的結(jié)果，從而使得準(zhǔn)二維超薄膜的生長(zhǎng)測(cè)量成為可能。

　　2011年，課題組實(shí)現(xiàn)了對(duì)拓?fù)浣^緣體能帶結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，使得其體材料成為真正的絕緣體，去除了其對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響。

　　2012年初，課題組在準(zhǔn)二維、體絕緣的拓?fù)浣^緣體中實(shí)現(xiàn)了自發(fā)長(zhǎng)程鐵磁性，并利用外加?xùn)艠O電壓對(duì)其電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位精密調(diào)控。

　　2012年10月，課題組終于發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場(chǎng)中的反?；魻栯娮柽_(dá)到了量子霍爾效應(yīng)的特征值h/e2~25800歐姆——世界難題得以攻克。

　　課題組克服薄膜生長(zhǎng)、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運(yùn)測(cè)量等多道難關(guān)，一步一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)程鐵磁序以及能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，最終為這一物理界的預(yù)言畫上了完美句號(hào)。

　　“下一步我們主要的努力方向是全面測(cè)量材料在極低溫下的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)，尋找更好的材料體系，在更高的溫度下實(shí)現(xiàn)這一效應(yīng)。那時(shí)，也許我們能對(duì)其應(yīng)用前景作更好的判斷?！蓖鮼営薷嬖V記者。

外界評(píng)說(shuō)

這是凝聚態(tài)物理界一項(xiàng)里程碑式的工作

　　“實(shí)驗(yàn)成果出來(lái)以后，量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者給我發(fā)了一封郵件。他寫道：我深信拓?fù)浣^緣體和量子反?；魻栃?yīng)是科學(xué)上王冠上的明星?！睆埵钻上蛴浾哒故玖诉@封郵件。

　　《科學(xué)》雜志的一位審稿人說(shuō)“這項(xiàng)工作毫無(wú)疑問(wèn)地證實(shí)了與普通量子霍爾效應(yīng)不同來(lái)源的單通道邊緣態(tài)的存在。我認(rèn)為這是凝聚態(tài)物理學(xué)一項(xiàng)非常重要的成就?！绷硪晃粚徃迦苏f(shuō)“這篇文章結(jié)束了多年來(lái)對(duì)無(wú)朗道能級(jí)的量子霍爾效應(yīng)的探尋。這是一篇里程碑式的文章。”

延伸閱讀

霍爾效應(yīng)與反?；魻栃?yīng)

　　霍爾效應(yīng)是美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的一個(gè)物理效應(yīng)。在一個(gè)通有電流的導(dǎo)體中，如果施加一個(gè)垂直于電流方向的磁場(chǎng)，由于洛倫茲力的作用，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓，這個(gè)電磁輸運(yùn)現(xiàn)象就是著名的霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的橫向電壓被稱為霍爾電壓，霍爾電壓與施加的電流之比則被稱為霍爾電阻。由于洛倫茲力的大小與磁場(chǎng)成正比，所以霍爾電阻也與磁場(chǎng)成線性變化關(guān)系。

　　1880年，霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使不加外磁場(chǎng)也可以觀測(cè)到霍爾效應(yīng)，這種零磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)就是反?；魻栃?yīng)。反?；魻栃?yīng)與普通的霍爾效應(yīng)在本質(zhì)上完全不同，因?yàn)檫@里不存在外磁場(chǎng)對(duì)電子的洛倫茲力而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌道偏轉(zhuǎn)。反常霍爾電導(dǎo)是由于材料本身的自發(fā)磁化而產(chǎn)生的，因此是一類新的重要物理效應(yīng)。

量子霍爾效應(yīng)的相關(guān)研究已3獲得諾爾貝獎(jiǎng)

　　量子霍爾效應(yīng)在凝聚態(tài)物理的研究中占據(jù)著極其重要的地位。它就像一個(gè)富礦，一代又一代科學(xué)家為之著迷和獻(xiàn)身，他們的成就也多次獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。

　　1985年，諾貝爾物理獎(jiǎng)?lì)C給了德國(guó)科學(xué)家馮·克利青，他于1980年發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。

　　1998年，諾貝爾物理獎(jiǎng)?lì)C給了美國(guó)科學(xué)家：美籍華人物理學(xué)家崔琦、施特默和勞弗林。前兩人于1982年發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，而后者則對(duì)這一效應(yīng)進(jìn)一步給出了理論解釋。

　　2010年，諾貝爾物理獎(jiǎng)?lì)C給了英國(guó)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫。他們倆在2005年發(fā)現(xiàn)了石墨烯中的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。

　　此外，量子化自旋霍爾效應(yīng)于2007年被發(fā)現(xiàn)，2010年獲得歐洲物理獎(jiǎng)，2012年獲得美國(guó)物理學(xué)會(huì)巴克利獎(jiǎng)。