这项被称为“诺奖级”的研究多厉害？专访薛其坤

1月8日，2018年度国家科学技术奖揭晓。“量子反常霍尔效应的实验发现”摘得国家自然科学奖一等奖。

由中科院院士、清华大学教授薛其坤领衔的清华大学、中科院物理所实验团队在国际上首次从实验中观测到“量子反常霍尔效应”，这项重大基础物理学成果被杨振宁称为“中国实验室里发表的第一次诺贝尔奖级的物理学论文。”

我们知道，电子在导体中的运动并没有明确的方向和轨迹，在流动的过程中还会使导体发热、产生能量损耗。140年前，美国物理学家霍尔发现，如果对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场，电子的运动轨迹将产生偏转，这个电磁现象就是“霍尔效应”。霍尔效应是一种常见的电磁现象，广泛应用于磁传感器和半导体工业。

1980年，德国科学家冯克利青发现在强磁场下会出现“量子霍尔效应”，使电子运动没有能量损耗。关于量子霍尔效应和拓扑物态的一系列发现和研究先后在1985年、1998年、2016年获得诺贝尔物理奖，成为物理学最近几十年最受关注的研究领域之一。

但物理学家还认为“量子霍尔效应家族”中应该存在“量子反常霍尔效应”，不需要强磁场也能使电子运动没有能量损耗。量子反常霍尔效应是又一个全新的量子化的霍尔效应。由于其不需要外加磁场，是“量子霍尔效应家族”中最接近应用的。在实验上在真实材料中发现量子反常霍尔效应，长期以来一直是物理学家追求的目标，但如何在实验上观测到是一个难题。自1988年开始就不断有理论物理学家提出各种方案，但是实验上没有仼何实质性的进展。

从2009年起，薛其坤院士领导的实验研究团队与清华大学、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实现进行攻关。他们试验了超过1000个样品，一步步克服了重重障碍，终于找到一种叫做“磁性拓扑绝缘体薄膜”的特殊材料，并从实验中观测到“量子反常霍尔效应”。“做研究必须有咬定青山不放松的精神，面对复杂的现象，找到本质，由表及里地来分析问题、解决问题。”薛其坤说。

实验中做到量子反常霍尔效应的测量难度极大。薛其坤打了个比方：“把材料在5纳米的严格厚度上均匀到1毫米，才能实现对其的测量，这就相当于做一张学校操场那么大的A4纸，又要让它非常均匀。”

完成如此高难度的实验，离不开尖端科研仪器的运用。薛其坤研究团队长期以来结合分子束外延生长、极低温强磁场扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱技术，在表面、界面、低维物理学领域做出了国际一流的工作。“工欲善其事，必先利其器。”薛其坤认为，想在科学原创上发现别人看不到、发现不了的东西，肯定你的眼睛要更亮，你使用的仪器工具分辨率、灵敏度要更高。

把这么多尖端科学仪器和技术结合到一起，让它们的功能发挥到极致，是一件非常困难的事。另一方面，要把这么多顶尖的科学家结合到一起，为了共同的科学目标，通力合作，形成一个非常有战斗力的科研团队，也是一件很有挑战性的工作。“我们平日里都是单兵作战，为了共同的科学目标，我们走到了一起，形成了最有效的合作。”薛其坤说。

让团队感到更具挑战性的，是目标本身的极大不确定性。“当你干了五年以后，发现这个理论对吗？说实话，我们也不知道。”薛其坤说，“爱因斯坦在100年前就预言了引力波的存在，直到近年来才证明。我们要想在基础研究领域获得突破，就要有一种愚公移山的精神，坚持一代人、两代人，甚至几代人，把一件事情做好。”

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的最重要的实验进展之一，引领了国际学术方向。该成果发表后引起国际学术界的巨大反响，得到了杨振宁先生等知名物理学家的高度评价。“当时也有一些质疑的声音，认为我们的结果是不是学生用计算机‘平滑’‘修改’出来的。少数人觉得我们中国的科学家不可能做出这么重要的成绩来。”薛其坤回忆说。在论文发表近一年后，日本和美国的竞争者相继在相同的材料系统中重复出此项结果，也最终将这些质疑一扫而空。

薛其坤说：“量子反常霍尔效应的发现，是改革开放40年来我国基础研究的一个重大成果，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，是我们的基础和保障。一个国家如果不稳定，没有经济实力，没有非常好的科研系统和体制，不可能会诞生这样的成果。”

量子霍尔效应可以用于发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，克服芯片的发热和能量损耗问题，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（通常需要的磁场强度是地磁场的几万甚至几十万倍），应用起来非常昂贵和困难。而量子反常霍尔效应的最美妙之处是不需要任何外加磁场，因此，这项研究成果将可能推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展，加速推进信息技术革命的进程。

来源：人民日报