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

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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

发现量子反常霍尔效应有什么意义？

什么是量子反常霍尔效应

中国有望获得诺贝尔奖的人

一、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

图为薛其坤院士在实验室（新华网发）

新华网北京1月8日电（凌纪伟）在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。

什么是量子反常霍尔效应？薛其坤形象地说，该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。

每每听到有人称赞量子反常霍尔效应的发现是多么了不起，薛其坤都会回一句，“这是我们团队精诚合作，联合攻关的共同成果，是中国科学家的集体荣誉”。在他看来，“团队协作、攻坚克难”的创新模式是拔得头筹的重要因素。

薛其坤称自己的团队是“世界上最有战斗力的团队”，因为这些科学家在各自领域都是一流的“专业选手”。如今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。”薛其坤自豪地说。

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1000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。“我们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。

图为薛其坤院士在实验室（新华网发）

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。”

一、发现量子反常霍尔效应有什么意义？

中国科学家领衔的团队首次在实验上发现量子反常霍尔效应。这一发现或将对信息技术进步产生重大影响。在美国物理学家霍尔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的观察，这一发现是相 理论计算得到霍尔电导关领域的重大突破，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。由于人们有可能利用量子霍尔效应发展新一代低能耗晶体管和电子学器件，这将克服电脑的发热和能量耗散问题，从而有可能推动信息技术的进步。然而，普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场，因此应用起来将非常昂贵和困难。但量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场，这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命进程。美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应。1980年，德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应，1982年，美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应，这两项成果分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。 由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中科院物理所和斯坦福大学研究人员联合组成的团队在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破，他们从实验中首次观测到量子反常霍尔效应，这是中国科学家从实验中独立观测到的一个重要物理现象，也是物理学领域基础研究的一项重要科学发现。

二、什么是量子反常霍尔效应

与量子霍尔效应相关的发现之所以屡获学术大奖，是因为霍尔效应在应用技术中特别重要。人类日常生活中常用的很多电子器件都来自霍尔效应，仅汽车上广泛应用的霍尔器件就包括：信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器等。例如用在汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。因为汽车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而汽车上有许多灯具和电器件在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路就可以减小这些现象。 此次中国科学家发现的量子反常霍尔效应也具有极高的应用前景。量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场，因此至今没有广泛应用于个人电脑和便携式计算机上——因为要产生所需的磁场不但价格昂贵，而且体积大概要有衣柜那么大。而反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转，反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的。 如今中国科学家在实验上实现了零磁场中的量子霍尔效应，就有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题。这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用：无需高强磁场，就可以制备低能耗的高速电子器件，例如极低能耗的芯片，进而可能促成高容错的全拓扑量子计算机的诞生——这意味着个人电脑未来可能得以更新换代。

三、中国有望获得诺贝尔奖的人

备受世界关注的诺贝尔奖会在每年的10月初公布当年各个奖项的获奖者。诺贝尔奖是一场科学盛宴，也能够在一定程度上反映一个国家的科技实力。诺贝尔奖曾经是中国人的痛，因为本土科学家从未拿到该奖，直到2015年屠呦呦成功拿到诺贝尔生理学或医学奖
今年的诺贝尔奖获奖者中会不会有中国人的身影？如果能有，对中国人来说可谓是国庆期间的一大喜事。能不能获诺贝尔奖要看成果是否重大，要看成果产生的影响或应用。近些年来，中国已经出现了多个有实力争夺诺贝尔奖的研究成果。
香港中文大学的卢煜明教授近几年来一直是诺贝尔生理学或医学奖的热门人选。他发现了孕妇外周血中存在从胎儿体内游离出的DNA，并将其用于产前基因测试，从而可以判断胎儿是否患有唐氏综合征及其他基因疾病。在此之前，若想获取胎儿的DNA只能通过羊水穿刺，羊水穿刺会产生大约1%的流产率。而用卢煜明的技术只需抽取孕妇的10毫升左右的静脉血，由此导致的胎儿流产几乎为0，故该技术被称为无创产检。目前越来越多的医院有资质做这种检测，并且检测费用较之前大幅降低。
卢煜明因此技术已经斩获多个大奖，包括有诺贝尔奖风向标之称的奖金额达300万美元的科学突破奖。卢煜明若是在近几年内获得诺贝尔奖，会是实至名归。
王贻芳，就是那位和杨振宁争论中国要不要建超大型对撞机的王贻芳，他发现了第三种中微子振荡。在很长的一段时间内，中微子的质量一直被认为是0，包括标准模型理论。中微子的振动表明中微子是存在静止质量的，这是超出粒子物理标准模型的重大发现。发现前两种中微子振动的科学家已经获得了诺贝尔物理学奖，王贻芳凭此发现斩获诺贝尔奖也是很有可能的事情。值得一提的是，王贻芳也曾摘得奖金额达300万美元的基础物理学突破奖。
薛其坤是近几年来国内的明星科学家之一，他领导的团队在2013年发现了量子反常霍尔效应。近几十年来，关于霍尔效应的研究已经制造出多个诺贝尔奖，并且还会继续制造诺贝尔奖，薛其坤就有望凭发现量子反常霍尔效应获得诺贝尔奖。当年杨振宁得知薛其坤的发现后，第一时间称赞这是诺贝尔奖级别的发现。另外值得一提的是，华人科学家张首晟曾被视为早晚要拿诺贝尔奖，也是因为他对霍尔效应有研究，他预言了量子自旋霍尔效应并被实验证实。
以上几位是很明显有实力争夺诺贝尔奖的科学家。另外，科研成果从问世到产生巨大影响往往需要一定的时间，国内定有很多研究成果尚未在科学界或应用领域产生较大影响。当今的一些成果在几年后、十几年后、几十年后定会闪烁出灿烂的光芒，那时候看中国，定会有更多的诺贝尔奖及诺贝尔奖级别的成果。