從中國實(shí)驗(yàn)室里，繼鐵基超導(dǎo)、多光子糾纏、中微子振蕩后，我國物理學(xué)再獲突破性進(jìn)展。1月8日，由清華大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士薛其坤領(lǐng)銜的清華大學(xué)和中科院物理所實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在量子反常霍爾效應(yīng)取得的突破性成果，獲得2018年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

全球首次發(fā)現(xiàn)：中國實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生的世界級(jí)基礎(chǔ)研究原創(chuàng)成果

“量子反常霍爾效應(yīng)”——當(dāng)?shù)谝淮温犝f這個(gè)名字，許多人都會(huì)一頭霧水。然而，走進(jìn)這座自由王國，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)一棟截然不同的摩天大樓。因?yàn)檠ζ淅F(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)，中國標(biāo)注了這座大樓的新高度。

微觀世界的運(yùn)行由量子力學(xué)規(guī)律支配，會(huì)顯示完全不同于宏觀世界的現(xiàn)象。霍爾效應(yīng)是一種常見的電磁現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于磁傳感器和半導(dǎo)體工業(yè)。那么當(dāng)量子反常霍爾效應(yīng)出現(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生怎樣的神奇?

科學(xué)家們認(rèn)為，量子反常霍爾效應(yīng)的最美妙之處是“不需要任何外加磁場(chǎng)就可以實(shí)現(xiàn)電子的量子霍爾態(tài)”。因此，這項(xiàng)研究成果將會(huì)推動(dòng)新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，可能加速推進(jìn)信息技術(shù)革命的進(jìn)程。

據(jù)介紹，量子反常霍爾效應(yīng)，可以改變電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，使其像在高速公路上行駛的汽車一樣有序，減少了中間阻礙，降低了電子運(yùn)動(dòng)中的能量損耗。

這一發(fā)現(xiàn)經(jīng)轉(zhuǎn)化應(yīng)用，對(duì)普通大眾來說，最直接的影響就是有可能會(huì)解決手機(jī)或電腦發(fā)熱、耗電快、運(yùn)行慢等問題。

自1988年美國物理學(xué)家提出可能存在不需要外磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)以來，不斷有物理學(xué)家發(fā)表各種方案，但在實(shí)驗(yàn)上并沒有取得任何實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。2008年，薛其坤率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)入這一領(lǐng)域，經(jīng)過四年研究，終于在世界范圍內(nèi)首次觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)。

這是世界物理學(xué)界近年來最重要的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展之一，引領(lǐng)了國際學(xué)術(shù)方向。這一發(fā)現(xiàn)的論文在美國《科學(xué)》雜志發(fā)表后，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者楊振寧稱：“這是從中國實(shí)驗(yàn)室里，第一次發(fā)表出了諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)論文!”

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法：學(xué)術(shù)道路前行每一步都有意義

從沂蒙山區(qū)走出來的薛其坤，個(gè)子不高、鄉(xiāng)音濃濃，樸實(shí)而風(fēng)趣。奮斗與執(zhí)著，是他和團(tuán)隊(duì)成員王亞愚、何珂、馬旭村、呂力等在科學(xué)之路上的人生信條。

薛其坤研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期以來結(jié)合分子束外延生長(zhǎng)、極低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡、角分辨光電子能譜技術(shù)，在表面、界面、低維物理學(xué)領(lǐng)域做出了國際一流的工作。

2008年，薛其坤研究團(tuán)隊(duì)抓住拓?fù)浣^緣體這個(gè)新領(lǐng)域興起的契機(jī)，在國際上率先建立了拓?fù)浣^緣體薄膜的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制，利用分子束外延生長(zhǎng)出國際最高質(zhì)量的樣品。所提出的生長(zhǎng)方法現(xiàn)已成為國際上通用的拓?fù)浣^緣體樣品制備方法。

在此基礎(chǔ)上，他們利用掃描隧道顯微鏡揭示出拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的拓?fù)浔Ｗo(hù)性和朗道量子化等獨(dú)特性質(zhì)。該研究團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)相關(guān)科學(xué)家的努力使得中國在拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域研究中處于國際領(lǐng)先行列。

“這是過去二十多年來凝聚態(tài)物理和材料物理領(lǐng)域，最具挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)之一。”薛其坤坦言，實(shí)驗(yàn)的難度在于目標(biāo)的不確定性，“我們所要實(shí)現(xiàn)的材料就像一個(gè)人既需要短跑運(yùn)動(dòng)員的速度、又要有舉重運(yùn)動(dòng)員的力量、更要有花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員的技巧”。

“我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了科學(xué)界的重復(fù)驗(yàn)證，量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)經(jīng)受住了歷史的考驗(yàn)。”薛其坤說，“想在科學(xué)原創(chuàng)上發(fā)現(xiàn)別人看不到、發(fā)現(xiàn)不了的東西，肯定你的眼睛要更亮，你使用的儀器工具分辨率、靈敏度必須要更高。”

量子反常霍爾效應(yīng)和高溫超導(dǎo)是物理學(xué)界最熱門的兩個(gè)課題。薛其坤已經(jīng)完成了前者，下一步將朝著后者進(jìn)發(fā)。他坦言這是一次嶄新的嘗試：“在學(xué)術(shù)的道路，前行的每一步都有意義，這就是科學(xué)的魅力。”

理解“物理之美”：中國基礎(chǔ)科研正處“黃金時(shí)代”

科學(xué)探索就是無數(shù)次接近真理的過程。現(xiàn)在的薛其坤，越來越深刻地理解了“物理之美”。他認(rèn)為，自己的生活每天就是回答為什么，探尋謎底的過程讓他樂此不疲。

“我們的成果與改革開放40年來取得的成就密不可分。”薛其坤說，量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是改革開放40年間我國在基礎(chǔ)研究上的一個(gè)重大成果，日益強(qiáng)大的國力、良好完善的科技政策、科學(xué)系統(tǒng)的科技規(guī)劃、催人奮進(jìn)的創(chuàng)新氛圍是基礎(chǔ)和保障。

發(fā)現(xiàn)量子霍爾反常效應(yīng)團(tuán)隊(duì)的五位主要完成人，平均年齡48歲，他們瞄準(zhǔn)同一重大科學(xué)目標(biāo)，各有所長(zhǎng)但相對(duì)獨(dú)立，單元科研團(tuán)隊(duì)的成員間形成了高效合作，其深度和持久性在國內(nèi)外也不多見。

人類的生命稍縱即逝，物質(zhì)也會(huì)隨著時(shí)間湮滅，唯有不朽的知識(shí)閃耀在歷史的長(zhǎng)河里。團(tuán)隊(duì)成員們表示：“中國的基礎(chǔ)科研正處在一個(gè)黃金時(shí)代，能成為這個(gè)時(shí)代的奮斗者，倍感幸福。”

薛其坤認(rèn)為，必須讓創(chuàng)新人才坐得住冷板凳、耐得住寂寞，在基礎(chǔ)研究、原始創(chuàng)新上不斷突破，夯實(shí)國家核心競(jìng)爭(zhēng)力的基石。

“我們是黨和國家培養(yǎng)起來的科學(xué)家。新時(shí)代為我們提供了更好的機(jī)遇，我們定要不負(fù)使命、努力奮斗，為國家強(qiáng)大、人民幸福和科學(xué)探索不斷做出新的貢獻(xiàn)。”薛其坤和他的同事們壯志滿懷。(新華社記者陳芳、胡喆、荊淮僑)

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