攻克世界物理難題,獲得國際大獎的中國第一人薛其坤到底牛在哪
2020-12-03 胖福的小木屋本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽
近日，菲列茲·倫敦獎評獎委員會宣布2020年度菲列茲·倫敦獎將授予清華大學副校長、北京量子信息科學研究院院長薛其坤院士，美國阿貢國家實驗室的Vinokur博士和德國馬普學會固體化學物理研究所的Steglich教授。
菲列茲·倫敦獎是國際純粹物理和應用物理聯合會為紀念著名物理學家——菲列茲·倫敦而設立的，菲列茲．倫敦是20世紀理論物理和化學發展中的關鍵性人物之一，是量子化學的創立者之一，也是第一位提出超導和超流動性可以被看作是宏觀量子現象的人。菲列茲·倫敦獎旨在獎勵在低溫物理領域做出傑出貢獻的科學家，是國際公認的低溫物理領域最高獎。
菲列茲·倫敦獎，獎項設立於1957年，每三年評審一次，在過去63年間的24屆獲獎者中，共有50餘位著名物理學家被授予這個獎項，其中12人次後來獲得了諾貝爾物理學獎，這包括天才物理學家朗道博士，發明電晶體和建立超導微觀理論、首個在同一領域兩次獲得諾貝爾獎的John Bardeen博士等，可見其含金量。
朗道薛其坤也是國內首個、亞洲第二個獲得此項榮譽的科學家，他也被認為是中國最有希望獲得諾貝爾獎的科學家之一。
薛其坤發現的量子反常霍爾效應，被認為將推動新一代的低能耗電晶體和電子學器件的發展，可能加速推進信息技術革命的進程。
1879 年，美國物理學家霍爾在研究金屬的導電機制時發現，在一個通有電流的導體中，如果施加一個垂直於電流方向的磁場，由於洛倫茲力的作用，電子的運動軌跡將產生偏轉，從而在垂直於電流和磁場方向的導體兩端產生電壓，這個電磁輸運現象就是著名的霍爾效應。
霍爾效應它定義了磁場和感應電壓之間的關係。當電流通過一個位於磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個橫向的作用力，從而在導體的兩端產生電壓差。
1880年，霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應時發現，即使不加外磁場也可以觀測到霍爾效應，這種零磁場中的霍爾效應就是反常霍爾效應。反常霍爾電導是由於材料本身的自發磁化而產生的，因此是一類新的重要物理效應。
後來， 1980 年，著名物理學家馮·克裡津從金屬-氧化物-半導體場效應電晶體(MOSFET)發現了一種新的量子霍爾效應。被命名為整數量子霍爾效應，1982年，華人科學家崔琦和史特莫在二維電子系統中現了分數化的霍爾電阻平臺。一開始是發現了和兩個平臺，他的發現被命名為分數霍爾效應。
即使存在霍爾效應和量子霍爾效應，那麼肯定也存在量子反常霍爾效應，因此在發現整數量子霍爾效應以及分數量子霍爾效應之後，科學家開始去嘗試探尋量子反常霍爾效應的存在，量子反常霍爾效應也被視作「量子霍爾效應家族最後一個重要成員」，然而這項世界難題一直以來都沒有人攻破。
根據科學家的推測，量子反常霍爾效應它不依賴於強磁場而由材料本身的自發磁化產生。在零磁場中就可以實現量子霍爾態，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。自1988年開始，就不斷有理論物理學家提出各種方案，然而在實驗上沒有取得任何進展。
實驗中做到量子反常霍爾效應的測量為什麼難度極大。薛其坤打了個比方：「把材料在5納米的嚴格厚度上均勻到1毫米，才能實現對其的測量，這就相當於做一張學校操場那麼大的A4紙，又要讓它非常均勻。」
量子霍爾效應示意圖從2009 年，薛其坤團隊經過近5年的研究，從拓撲絕緣體材料生長初期的成功，再到後期克服實驗中的重重難關，薛其坤團隊付出了常人難以想像的努力。但實驗最終的成功與否，還要看一個標誌性實驗數據——在零磁場中，能否讓磁性拓撲絕緣體材料的霍爾電阻跳變到25813歐姆的量子電阻值。
他們生長測量了1000多個樣品。最終，他們利用分子束外延方法，生長出了高質量的Cr摻雜（Bi，Sb）2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，並在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應。這是首次在實驗上發現量子反常霍爾效應。
這是中國科學家首次在實驗上獨立觀測到量子反常霍爾效應，被視作「世界基礎研究領域的一項重要科學發現」。
此前，與霍爾效應相關的研究都斬獲了諾貝爾獎，馮·克裡津獲得1985年諾貝爾物理學獎，而崔琦和史特莫則獲得了 1998 年諾貝爾獎。到了2005年，英國科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫。他們倆在2005年發現了石墨烯中的半整數量子霍爾效應，斬獲2010年的諾貝爾物理學獎，2016年獲得諾貝爾獎的戴維·索利斯，鄧肯·霍爾丹和麥可·科斯特利茨，他們的研究也和霍爾效應有關。霍爾效應的探索可以說成為物理學最近幾十年最受關注的研究領域之一。
之所以科學界對於霍爾效應的研究成果都十分重視，是因為人們按照霍爾效應開發的各種霍爾元件被廣泛應用於精密測磁、自動化控制、通信、計算機、航空航天等工業部門和國防領域。
量子反常霍爾效應在未來信息技術的發展上也具有重要的作用，它可能在未來電子器件中發揮特殊的作用，用於製備低能耗的高速電子器件，從而推動信息技術的進步。因為普通量子霍爾效應的產生需要用到非常強的磁場(通常需要的磁場強度是地磁場的幾萬倍甚至幾十萬倍)，應用起來十分昂貴和困難；而且其體積龐大(衣櫃大小)也不適合於個人電腦和可攜式計算機。
而量子反常霍爾效應的最美妙之處就在於不需要任何外加磁場，人類有可能利用其無耗散的邊緣態發展新一代的低能耗電晶體和電子學器件，從而解決電腦發熱問題和摩爾定律的瓶頸問題。
所以世界科學界都認為薛其坤也將有極大概率獲得諾貝爾物理學獎。此次薛其坤斬獲菲列茲·倫敦獎，也是因為在實驗上發現量子反常霍爾效應這一突出成就。
可以說，屢獲國際大獎的薛其坤距離諾貝爾獎僅一步之遙！
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