【科學向未來】
編者按
國家自然科學獎一等獎是我國自然科學領域的最高獎項，主要獎勵在基礎研究和應用基礎研究領域獲得重大突破的科學家。由於該獎項評選嚴格，在歷史上曾多年空缺。1月8日，由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學、中國科學院物理所聯合組成的實驗團隊完成的「量子反常霍爾效應的實驗發現」項目獲2018年度國家自然科學獎一等獎。薛其坤教授領銜的科研團隊在世界上首次在實驗上觀測到量子反常霍爾效應，實現了這一基礎科學領域的重大突破。薛其坤教授表示，材料生長動力學奠定了他們的研究基礎。本期特邀薛其坤院士介紹量子反常霍爾效應發現實驗的過程以及背後的材料物理學研究。
建立新的科學理論、發現新的科學效應和科學規律是基礎研究皇冠上的明珠。量子反常霍爾效應是一個基於全新物理原理的科學效應，是我國獨立觀測到的為數很少的科學效應之一，是我國物理學工作者對人類科學知識寶庫的一個重要貢獻。
面對這項世界級的實驗難題，我們科研團隊的每一位成員不辱使命、敢為人先、挑戰極限、挑戰自我、追求極致，嚴謹求實的科學精神和科研作風是我們取得成功的法寶。具體來說，量子反常霍爾效應的實驗發現是清華大學「雙一流大學」建設徵程中在科研方面的一個標誌性成果，也標誌著我國拓撲量子物理的實驗研究居世界領先地位。而材料生長動力學研究奠定了這個發現的基礎，從建立起拓撲絕緣材料的生長動力學機制的那一天起，我們就奠定了在這項研究的世界領先地位。
1、建立起拓撲絕緣體材料的生長動力學是實驗關鍵的一步
量子反常霍爾效應，對普通人來說，拗口而晦澀。但在物理學家眼中，它神奇又美妙。量子霍爾效應在凝聚態物理中佔據著極其重要的地位。整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的實驗發現分別於1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎。
量子反常霍爾效應意味著在零磁場中，霍爾電阻跳變到約25800歐姆的量子電阻值。要實現這一不可思議的量子現象，所需要的實驗材料必須同時滿足三項非常苛刻的條件：材料的能帶結構必須具有拓撲特性，從而具有導電的一維邊緣態；材料必須具有長程鐵磁序，從而存在反常霍爾效應；材料的體內必須為絕緣態，從而對導電沒有任何貢獻。這就如同要求一個人同時具有短跑運動員的速度、籃球運動員的高度和體操運動員的靈巧，其難度可想而知。
在實際的實驗材料中要同時滿足這三點對實驗物理學家來講是一個巨大的挑戰，美國、德國、日本等國的一流科學家由於無法在材料中同時滿足這三點，而未取得最後的成功。為了在激烈的國際競爭中脫穎而出，我們團隊成員進行了合理分工。
高質量的材料是實現這一量子效應的關鍵，我擔任樣品生長的總負責，並指定馬旭村研究組的何珂帶領幾位研究生具體進行。反常霍爾效應測量則由清華大學物理系教授王亞愚負責。
在拓撲絕緣體研究初期，我就敏銳地意識到，拓撲絕緣體材料的生長動力學與我長期從事的砷化鎵研究有非常類似的地方。於是，我迅速制定了實驗方案——按照生長砷化鎵的方法進行實驗，首先建立起拓撲絕緣體材料的生長動力學。
我們團隊用三四個月的時間，在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的分子束外延生長動力學，實現對樣品生長過程在原子水平上的精確控制，使薄膜樣品的質量很快達到國際領先水平。這是最重要的一步，邁出了這一步，後面的工作才順利展開。
2、量子反常霍爾效應所需要實驗材料的三個苛刻條件全部實現
材料生長動力學機制這一關鍵問題得以解決，但這並不意味著接下來的工作就是一片坦途。毫不例外的，實現量子反常霍爾效應所需的三個苛刻條件帶來的種種難題，我們也都遇到了。
比如即使是高質量的拓撲絕緣體薄膜，也很難做到真正絕緣；另外在拓撲絕緣體材料中實現自發鐵磁序也非常困難。在四年裡，我們團隊成員共生長和測量了超過1000個樣品，並通過一次次的生長、測量、反饋、調整，爭取每一步都做到極致。
2010年，我們完成了對1納米到6納米（頭髮絲粗細的萬分之一）厚度薄膜的生長和輸運測量，得到了系統的結果，從而使得準二維拓撲絕緣體的製備和輸運測量成為可能。
2011年，我們實現了對拓撲絕緣體能帶結構的精密調控，使其成為真正的絕緣體，去除了體內電子對輸運性質的影響。
2011年底，我們在準二維、體絕緣的拓撲絕緣體中實現了自髮長程鐵磁性，並利用外加柵極電壓對其電子結構進行了原位精密調控。
就這樣，量子反常霍爾效應所需要實驗材料的三個苛刻條件終於實現了！
2012年10月的一個晚上，我收到學生的簡訊：在實驗中發現了量子反常霍爾效應的跡象！
當晚，我立即設計出幾套方案，部署好了下一步的實驗，特別是和中科院物理所呂力研究組合作，將實驗推進到接近絕對零度的極低溫。
接下來的一段時間裡，數據不停地跳動著，10000、20000、25800！數據停住了！材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到量子電阻的數值並形成一個平臺，同時縱向電阻急劇降低並趨近於零，這是量子化反常霍爾效應的特徵性行為！
歷史在這一時刻定格，在美國物理學家霍爾於1880年發現反常霍爾效應133年後，人類終於實現了其量子化，這一步由我們中國人的實驗完成！
3、材料是未來工業革命的關鍵，超導或定義一個新時代
量子反常霍爾效應可能有助於在未來解決摩爾定律的瓶頸問題，若應用到電子器件中，有望克服包括計算機晶片等很多電子器件發熱耗能等帶來的一系列問題，推動半導體工業的革命。它的發現或將帶來下一次信息技術革命，我國科學家為國家爭奪了這場信息革命中的戰略制高點，這其中材料和物理學功不可沒。
材料是工業革命的基礎之一。縱觀過去發生的幾次工業革命，除了科學的進步，材料的發展起到了極其重要的作用。青銅、鋼鐵和半導體材料的發展與工業革命和人類文明的進程息息相關。如果有人問，下一個能定義人類文明進步的材料是什麼？作為一個科學家，我覺得很可能是高溫超導材料，特別是室溫超導材料。
超導現象是1911年荷蘭的科學家昂尼斯發現的，1913年他獲得了諾貝爾物理學獎。當溫度降低時，絕大部分金屬材料的電阻會下降，接近絕對零度的時候材料的電阻會停在一個有限值上。所有的金屬材料都這樣。但是，超導材料表現則不一樣，隨著溫度的降低，到了超導轉變溫度時，電阻會陡然下降到零，徹底消失了。這個現象叫超級導電性，簡稱超導。
超導材料另外一個特性是完全抗磁性。由於完全抗磁性，超導材料會懸浮在一個磁鐵上。在超導狀態時，材料的電阻為零，如果把材料通上電流，電流就可以永遠的流動下去，材料當然也不會發熱。在當今社會，電的應用無處不在。可以想像，如果人類找到了在室溫下就能超導的材料，其意義將是非常的重大，甚至不亞於電的發明，它一定會導致工業的革命。導致人類文明的巨大進步。大家都看過電影《阿凡達》，電影中顯示了2154年時奇特的懸浮山，這個懸浮山就是由室溫超導材料構成的。發明的一種材料是「不可得到的」。
超導的應用很多。大家熟悉的是輸電。輸電靠導線，目前用於輸電的所有導線都是有電阻的，因此浪費的電能佔到輸電量的6%以上。全世界每年因為這種輸電線路損耗有1.5萬億度電被浪費掉。如果材料沒有電阻了，僅這一項就會節省巨大的能源，這將是一件非常了不起的事情。超導還有其他應用。以清華大學物理系曹必松教授的工作為例，他們使用超導材料以後，可以使雷達的探測範圍能增加200多公裡。
但是，超導材料的超導轉變溫度通常是非常低的。按照超導理論，超導材料是在一個很微弱的作用下讓互相排斥的電子形成電子對而達到超導狀態的，溫度效應很容易破壞這個作用，把這些電子對拆散開，這就是為什麼只有在很低的溫度下材料才能達到超導狀態的原因。也是因為這個原因，尋找高溫超導材料，提高超導轉變溫度一直是物理學一個非常重要的研究方向。就像我們講經濟發展是硬道理一樣，提高材料的超導轉變溫度是高溫超導研究的硬道理。
1986年，瑞士兩個科學家發現了超導轉變溫度高於77K的高溫超導材料。77K是液氮的沸騰溫度。這意味著使用價格比較低廉的液氮就可以使材料沒有電阻，這對超導的廣泛應用意義重大。因為這個重大發現，這兩位科學家第二年（1987年）就獲得了諾貝爾物理獎。但是大家在科學上不理解為什麼超導能在這麼高的溫度下存在。如果理解了，就有可能找到室溫超導，所以大家都想去理解它。
現在，過了三十多年，人們仍然沒有理解高溫超導的機理，可以說這是個凝聚態物理學的世紀難題。我們的研究團隊目前一個重要科學目標，就是高溫超導機理。我們把這個科學目標與材料科學研究密切結合，像攻克量子反常霍爾效應發現的實驗一樣，我們希望通過材料方面的突破實現這個重大科學目標。也許這是攀登新科學高峰的契機，我們正在牢牢地抓住這個契機，忘我工作。
（作者：薛其坤，系清華大學副校長、中國科學院院士）