【經濟日報】追尋量子世界的「反常」奇蹟

實驗成功後，參與實驗的主要成員聚到一起，舉杯慶賀。左起依次為：清華大學物理系王亞愚教授，中國科學院物理研究所何珂副研究員、呂力研究員、景秀年工程師、馬旭村研究員，清華大學物理系薛其坤教授、陳曦教授，中國科學院物理研究所王立莉副研究員。（資料照片）

圖為檢測到量子反常霍爾效應的實驗設備。佘惠敏攝

編者按 我國科學家經過數年合作攻關，在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，首次從實驗上觀測到量子反常霍爾效應。相關成果已於3月14日在線發表於美國《科學》雜誌。

「這是從中國實驗室裡，第一次發表出來了諾貝爾物理獎級別的論文。」諾貝爾物理獎得主楊振寧教授高度評價了這一重大發現。

這顆科學皇冠上的明珠，是如何被中國科學家們納入囊中的？

從「正常」到「反常」

霍爾效應是一種需要外加磁場的電磁效應，由美國物理學家霍爾於1879年發現，次年人們就發現了無需外加磁場的反常霍爾效應。

量子世界中也有霍爾效應和反常霍爾效應。不過，在微觀的量子世界裡，反常霍爾效應的發現就遠沒有宏觀世界中那麼順利了。

早在1980年，整數量子霍爾效應就被發現，兩年後，人們又發現了分數量子霍爾效應，發現它們的科學家已分別獲得1985年和1998年諾貝爾物理學獎。這兩種「正常」的霍爾效應，其產生需要強達10萬高斯的外加磁場，而地球上的自然磁場強度不過才0.5高斯。

常態下，晶片中的電子運動雜亂無章，經常相互碰撞，發生熱量損耗，讓計算機晶片的速度難以進一步提高。而量子霍爾態下，電子各行其道，永不混雜，遇到雜質，自動繞行。由於運行中電子幾乎不碰撞，如用量子霍爾效應設計電子線路，電子產品就不會發熱，能耗極低。「這相當於混亂的農貿市場和順暢的高速公路的區別。」清華大學教授薛其坤院士表示，量子霍爾效應在開啟下一輪信息革命上會有很大作用。但過去發現的整數和分數量子霍爾效應，需外加一人高電冰箱那麼大的一塊磁體，以產生外加磁場，基本不實用。

人們推測，量子世界中應該也有無需外加磁場的「反常」霍爾效應存在。但如何觀測到這個「反常」的奇蹟，卻成為一個世紀難題。

「發現量子反常霍爾效應，需要解決兩個問題。」中科院物理所研究員方忠說，「一是反常霍爾效應能否量子化？二是如何實現反常霍爾效應的量子化？」

方忠等人2003年發表於《科學》雜誌的論文回答了第一個問題，他們通過詳細計算表明：在許多材料中反常霍爾效應主要是體系的電子結構本身導致的，而不是雜質效應。這說明在特定的條件下反常霍爾效應能夠實現量子化。

如何實現反常霍爾效應？這需要材料本身既具備磁性又是絕緣體。由於磁體通常為導體，這是一個自相矛盾的要求。好在不久之後，一種新材料——拓撲絕緣體的出現，讓這個要求有了實現的可能。

拓撲絕緣體是一種量子物態的新型固體材料：內部是絕緣體,界面則是允許電荷移動的導體。給絕緣體表面鍍上一層金屬，貌似也能實現這種功能。然而，鍍金層磨損後，絕緣體就不能導電了。拓撲絕緣體的神奇之處卻在於，就算磨掉表層，它也能讓新露出來的內層體現出表層特質，總是保持界面導電且內部絕緣的性質不變。

2006年，史丹福大學教授張首晟提出拓撲絕緣體理論的材料實現方案；次年,這個預言在他與德國維爾茨堡大學的實驗中得到證實。拓撲絕緣體的發現引起了科學界的轟動和研究熱潮。張首晟在拓撲絕緣體發現後不久，就通過與中科院物理所和清華大學的合作，把拓撲絕緣體研究帶到了中國。2008年張首晟研究組率先提出，如果在拓撲絕緣體薄膜如HgTe中引入鐵磁性，可以實現科學界期待已久的量子反常霍爾效應。

如何在具體的拓撲絕緣體材料中實現這一方案，成為接下來的關鍵問題。為攻克這一難題，張首晟領導的史丹福大學研究組和中科院物理所方忠、戴希領導的研究組開始了幾年的合作。在經過了幾次嘗試以後，2010年，戴希、方忠等人與張首晟合作，在《科學》雜誌上發表論文指出，在碲化鉍（Bi2Te3）、硒化鉍（Bi2Se3）中摻入鉻（Cr）、鐵（Fe）後，將自發形成鐵磁態，同時還能保持體系本身的拓撲特性，這將成為實現量子反常霍爾效應的最佳體系。

一千個和三個

這個理論方案被《科學》審稿人評價為非常具有「挑逗性」，意即誘惑性很強，但實現難度也高到離譜。「當時覺得理論工作被接受後可以歇口氣，因為我也不能肯定有生之年能否看到它的實現。」戴希說。

論文發表後，德、日、美等國的相關科研小組也抵擋不住誘惑，開始了對這個方案的實驗研究。

就理論而言，這是一個美妙的提案；對實驗來說，卻有十分苛刻的要求。

實驗要求做出高純度的單晶材料，一百萬個原子中最多只能允許出現一個雜質。實驗要求做出極其平整的拓撲絕緣體，一納米等於百萬分之一毫米，材料只能是5納米厚，表面凹凸1納米都不行。一般而言，包含2種元素的拓撲絕緣體就很難做到這種純度和精度了，這個實驗最終成功所用的材料包含鉻、鉍、銻、碲4種元素，所以其難度是翻倍再翻倍。

顯然，這樣的實驗需要極其精密的材料生長控制技術。好在我們有現成的技術儲備。2002年初，薛其坤等人曾開創過一個融合三種實驗設備的聯合系統：用分子束外延設備將材料生長控制在原子水平，用掃描隧道顯微鏡讓形貌標準達到原子水平，用角分辨光電子能譜讓能帶結構達到原子水平。這種聯合實驗系統的發展和熟練運用，對拓撲絕緣體材料的精密控制起到重要作用。

有了神兵利器，還要艱苦卓絕的努力。對實驗物理學家來說，材料的生長製備與其說是一種技術，毋寧說是一種藝術。中科院物理所副研究員何珂說，同樣的材料，換臺機器、換個人就可能做不出來，極其考驗人的實驗技術水平與耐心。「四種元素在一起，要很耐心地配比，需要非常細心的工作。根據測量結果猜測調整配方，有時還要憑直覺。日本、美國的研究團隊跟我們同期開始這個研究，現在研究數據跟我們差遠了，主要就差在材料生長上。」

薛其坤看到最終成功的材料的複雜分子式時就倒吸了一口涼氣：「我做了20多年的分子束生長，看到這麼複雜的分子式我也不敢說能做成。」

為做出這個材料，從2009年起，他們摸索了整整4年。「理論工作預言了三種材料，具體哪種能成功，我們也不知道，只能一樣樣試。」中科院研究員馬旭村說，實驗組總共做了超過一千次磁性摻雜的樣品測量，在生長階段就失敗而沒拿去測量的樣品，則根本沒人統計過。「有多個設備同時進行，順利的時候一周能做出5塊樣品，不順利的時候一個月也做不出來一塊。」

研究者們先使用加法，把所有手段一個一個加進去，讓實驗數據不斷接近最終目標。但到了2012年時，他們把所有手段用完了，卻距離最終目標還差一截。實驗停滯了，大家一起開會討論，決定開始用減法，把可能出現問題的地方一個個排除掉，最後發現了覆蓋層因素。

何珂說：「原來我們總要蓋一個保護層，把拓撲絕緣體薄膜保護起來。採用減法後，我們發現了三塊效果最好的樣品，分析了一下，三塊樣品都沒覆蓋層。」

不蓋，本來是想做個比較，卻讓研究者發現了慣性思維的誤區。一千多塊送去測試的樣品中，這三塊「裸奔」的樣品成為最後的勝利者。

成功在絕對零度

量子反常霍爾效應實驗的成功標誌是，在零磁場中，讓拓撲絕緣體材料的霍爾電阻跳變到25800歐姆的量子值。

清華大學的王亞愚實驗組就負責這項測量和分析工作。

最開始他們壓根測不到電阻。「2010年2月-4月根本測不到電阻，樣品非常導電。」

然後他們測到了一點點電阻。「2010年5月，測到小於10歐姆的電阻。」

接著是幾個月停滯後的一點小進步。「2010年10月，40歐姆；11月，80歐姆。」

此後是幾乎讓人絕望的兩次停滯。「過程很乏味，特別有將近一年時間在停滯狀態，做數據測量的學生每次測的數據都一樣，快崩潰了。」

改變樣品配方，調低實驗溫度。2011年6月和2012年3月各出現一次突破，前一次電阻達到數千歐姆，後一次電阻達到1.5萬歐姆。

似乎勝利在望，卻又停滯不前。這時，減法發生了作用，三個「裸奔」樣品得到更好的結果——2012年10月，1.7萬歐姆。

他們發現，低溫下得到的數據更佳，但王亞愚實驗組的檢測設備已調到極限——絕對零度是負273.15℃，這套設備只能讓樣品的電子溫度降低到1.5k，也就是比絕對零度高1.5攝氏度的位置。由於電子的性質十分活躍，讓電子溫度降低，是比讓整個材料溫度降低要困難得多的事情。

於是，中科院物理所的呂力實驗組在最後階段加入進來。他們實驗室自己組裝的核絕熱去磁與電子冷卻系統，能將電子溫度降低到4mk（比絕對零度高0.004攝氏度），這是國際上的最好紀錄，華裔諾貝爾物理獎獲得者崔琦就曾將樣品拿到這裡來測量。

呂力實驗組停下自己手頭的其他實驗，開始檢測拓撲絕緣體的量子反常霍爾效應。2012年10月，90mk下，測到電阻為2.5萬歐姆；12月，30mk（比絕對零度高0.03攝氏度）下，測到電阻為25800歐姆。

大功告成。

「數據完美得我們都不敢相信。」薛其坤說，如果以時間為橫軸，進展為豎軸，把實驗中的突破點和停滯期連成線，可以看到明顯的一級一級的臺階，就像量子霍爾效應的圖示一樣。「這是一個美麗的巧合。」

●自由探索的碩果

這是一個集體攻關的項目。

在3月14日發表的論文中，有23名作者。包括四個實驗組中參與此項研究的師生，也包括此前作出過理論預言的張首晟等理論物理學家。

「團隊中有世界上最好的學生，我們跟學生一塊成長。」清華大學教授王亞愚感慨地說，「工作最終成功，是因為學生們工作非常勤奮，思維沒有束縛，能迸發出讓老師驚喜的想法，並一點點把想法實現。」

「我們這個團隊像個串聯電路，拿走任何一個電阻，電路就不通了。每個人都是不可或缺的。」戴希的比喻得到了每一個實驗組成員的贊同。

薛其坤實驗組的豐富經驗、馬旭村實驗組的精湛技藝、王亞愚實驗組的柳暗花明、呂力實驗組的極限低溫，都是實驗成功的關鍵因素。少了哪一個，量子反常霍爾效應這顆明珠，都不會這麼快落到中國科學家的囊中。

這也是一個自由探索的項目。

與此前那些獲得重大突破的項目不同，這一次，科學家們並沒有拿「量子反常霍爾效應」作為一個明確的重大項目來填報課題、申請經費、建一個大項目組，而是在各自的研究中，因為對量子反常霍爾效應的興趣，自然形成了合作團隊。清華大學和中科院物理所在地理上比鄰，集中了這個領域中各個方向的頂尖人才，實驗合作可以做到親如一家，個人發展又可以各有側重，研究者們抬抬腿就可以聚到一起開會，有什麼問題和困難隨時都可以集思廣益。

這樣的自由探索讓科學家們享受到科研本身的樂趣，並將這種樂趣作為科研工作的最大動力。正如呂力所說：「很多科學研究都是非常難的，我們一天到晚跟自己較勁。科研有挑戰性，越難越有成就感。」

獲得巨大成功後，這種探索還將繼續。因為我們只擺脫了磁場，卻沒有擺脫低溫。

由於此次發現的量子反常霍爾效應是在接近絕對零度的極低溫度下產生，這種實驗室成果離實際應用還相距較遠。要將量子反常霍爾效應用於個人電腦，需要尋找更便宜的材料，並在常溫下實現這一效應。因此，新的材料，和更高一些的實驗溫度，是實驗團隊的科學家們下一步將要努力的方向。

對於這一點，理論物理學家們顯然更為樂觀。

「絕緣體可以在常溫下出現，磁體可以在常溫下出現，沒理由拓撲絕緣體一定要在極低溫下出現。應該在理論上先預言，尋找方向。」張首晟斷言，「溫度提高的過程肯定會比超導容易。要追求的下一個目標，是在室溫下實現量子反常霍爾效應。這可能需要更換材料配方，可能需要較重的元素。」

顯然，這一場量子世界「反常」奇蹟的追蹤還遠未結束。

●連結

在凝聚態物理的研究中，量子霍爾效應佔據著極其重要的地位，此前在這方面的重要工作包括：

整數量子霍爾效應（1980年發現，1985年諾貝爾物理獎）；

分數量子霍爾效應（1982年發現，1998年諾貝爾物理獎）；

石墨烯中的半整數量子霍爾效應（2005年發現，2010年諾貝爾物理獎）；

量子化自旋霍爾效應（2007年發現，2010年歐洲物理獎，2012年美國物理學會巴克利獎）。

量子反常霍爾效應是在此領域的又一個重大進展，有可能是量子霍爾效應家族的最後一個重要成員。

（原載於《經濟日報》 2013-04-17 16版）