薛其坤獲頒北京科學技術最高獎,首次實驗實現量子反常霍爾效應

2020-11-23 新京報網

新京報快訊（記者 張璐）2019年度北京市科學技術獎勵大會今天（9月10日）舉行。北京量子信息科學研究院院長、清華大學副校長薛其坤與計算機領域專家、龍芯中科技術有限公司董事長胡偉武榮獲北京市突出貢獻中關村獎，摘得北京科學技術最高獎桂冠。按照最新調整的北京市科學技術獎獎金標準，突出貢獻中關村獎獎金為每人300萬元。


今年63歲的薛其坤是中國科學院院士、著名實驗物理學家。他帶領團隊首次從實驗上觀測到量子反常霍爾效應，這是我國物理學家在過去40多年發現的最重要的全新物理效應。


薛其坤。資料圖


實驗上實現量子反常霍爾效應曾難住科學家


從20世紀80年代初開始，一系列量子霍爾效應的發現，不但開啟了拓撲量子物態這一新研究領域，還為發展未來的低能耗電子器件指明了新的方向。整數和分數量子霍爾效應的發現分別獲得1985年和1998年度的諾貝爾物理學獎。


然而量子霍爾效應的產生需要非常強的外加磁場，這對其研究和應用都帶來了極大困難。1988年，美國的霍爾丹教授（2016年諾貝爾物理學獎獲得者）在理論上提出有可能存在不需外加磁場的量子霍爾效應，然而它只是一個「玩具模型」，離實際材料體系很遠，二十多年來沒有任何實質性的實驗進展。在真實材料中實驗發現量子反常霍爾效應，一直是凝聚態物理學的重大科學目標之一。


2005年後發現拓撲絕緣體，理論預言在拓撲絕緣體薄膜中引入鐵磁性，有可能獲得量子反常霍爾效應。然而，這在實驗上卻極難實現。美國、德國、日本等國家的多個世界頂級研究組都未能取得成功。


「從中國實驗室裡發表的諾貝爾獎級的物理學論文」


從2008年起，薛其坤領導的研究團隊結合分子束外延生長、低溫強磁場掃描隧道顯微鏡、角分辨光電子能譜技術開展了對拓撲絕緣體的研究。2009年起，薛其坤團隊與清華大學、中科院物理所、史丹福大學的合作者，開始對量子反常霍爾效應的實驗實現進行攻關。最終在2012年底，50歲的薛其坤帶領團隊在世界上首次實驗觀測到了量子反常霍爾效應。這一重大發現，讓薛其坤聲名鵲起。


在解釋這個深奧的問題時，薛其坤舉了一個生動的例子：「1980年，德國科學家發現的量子霍爾效應，在強磁場的驅動下，電子像高速公路的汽車一樣，分道行駛，可以大大降低電子器件的能耗。我國發現的量子反常霍爾效應，在不加磁場的條件下，就可以實現電子的『高速公路』、電子的有序運動，為發展低能耗電子器件、拓撲量子計算等未來的信息技術奠定了基礎。」


課題組於2013年將項目成果發表於美國《科學》（Science）雜誌，得到了著名物理學家、諾貝爾獎得主楊振寧的高度評價——「這是第一次從中國實驗室裡發表的諾貝爾獎級的物理學論文」。2019年1月，「量子反常霍爾效應的實驗發現」項目，獲得2018年度國家自然科學獎一等獎。


帶領科技人員推進量子院各項工作


2017年，為加快建設具有全球影響力的科技創新中心，北京市發起成立北京量子信息科學研究院，薛其坤任院長。「如果說量子反常霍爾效應是重大科技創新的突破，量子院的成立則是重大自主創新的探索。」薛其坤說，他和全院科技人員正在全力推進各項工作，目標就是要將量子院建設成為中國量子信息技術的核心基地。


值得一提的是，今年，薛其坤還獲得了2020年度菲列茲·倫敦獎，這是國際公認的低溫物理領域最高獎。


「我內心始終有一種信念，中國的科學家要不負使命，窮其一生為國家謀發展、為人民謀幸福、為民族謀復興。」在今天獲頒北京市突出貢獻中關村獎後，薛其坤發言稱，他會把獲得突出貢獻中關村獎這一崇高榮譽作為全新起點，不負使命、砥礪前行。


新京報記者 張璐

編輯 劉夢婕 校對 李世輝

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