量子反?；魻栃?yīng)

武晨

4月10日，清華大學(xué)召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，宣布由薛其坤院士領(lǐng)銜的中國(guó)團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)，該物理效應(yīng)從理論研究到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的全過(guò)程，都由我國(guó)科學(xué)家獨(dú)立完成。該成果已經(jīng)于北京時(shí)間3月15日凌晨在《科學(xué)》雜志在線（Science Express）發(fā)表。楊振寧教授稱(chēng)這是諾貝爾物理獎(jiǎng)級(jí)別的成果。

1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾在一個(gè)長(zhǎng)方形的導(dǎo)體上發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流在長(zhǎng)度方向流動(dòng)的時(shí)候，如果在導(dǎo)體垂直方向發(fā)現(xiàn)一個(gè)磁場(chǎng)，就會(huì)在寬度方向產(chǎn)生一個(gè)新的電流和電壓，這個(gè)就是霍爾效應(yīng)。

多年來(lái)，量子霍爾效應(yīng)是整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要、最基本的量子效應(yīng)之一。這是一種典型的宏觀量子效應(yīng)，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個(gè)完美體現(xiàn)。1980年，德國(guó)科學(xué)家馮·克利青（Klaus Von Klitzing）發(fā)現(xiàn)了“整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”，于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1982年，美籍華裔物理學(xué)家崔琦（Daniel Chee Tsui）、美國(guó)物理學(xué)家施特默（Horst L. Stormer）等發(fā)現(xiàn)“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”，不久由美國(guó)物理學(xué)家勞弗林（Rober B. Laughlin）給出理論解釋?zhuān)斯餐@得1998年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在量子霍爾效應(yīng)家族里，至此仍未被發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)是“量子反?；魻栃?yīng)”——不需要外加磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)。

“量子反?；魻栃?yīng)”，即在磁性材料中不外加磁場(chǎng)而產(chǎn)生電流，是多年來(lái)該領(lǐng)域的一個(gè)非常困難的重大挑戰(zhàn)，其關(guān)鍵在于新性質(zhì)材料的制備，這使得它的實(shí)現(xiàn)更加困難，需要精準(zhǔn)的材料設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控。1988年，美國(guó)物理學(xué)家霍爾丹（F. Duncan M. Haldane）提出可能存在不需要外磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)，但是多年來(lái)一直未能找到能實(shí)現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)的材料體系和具體物理途徑。2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)與張首晟教授等合作，從理論與材料設(shè)計(jì)上取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、 Sb2Te3族拓?fù)浣^緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機(jī)制，能形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體，是實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的最佳體系。他們的計(jì)算表明，這種磁性拓?fù)浣^緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強(qiáng)度下，即處在“量子反?；魻栃?yīng)”態(tài)。該理論與材料設(shè)計(jì)的突破引起了國(guó)際上的廣泛興趣，許多世界頂級(jí)實(shí)驗(yàn)室都爭(zhēng)相投入到這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中來(lái)，沿著這個(gè)思路尋找量子反?；魻栃?yīng)。

在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體材料中實(shí)現(xiàn)“量子反常霍爾效應(yīng)”，對(duì)材料生長(zhǎng)和輸運(yùn)測(cè)量都提出了極高的要求：材料必須具有鐵磁長(zhǎng)程有序；鐵磁交換作用必須足夠強(qiáng)以引起能帶反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致拓?fù)浞瞧接沟膸ЫY(jié)構(gòu)；同時(shí)體內(nèi)的載流子濃度必須盡可能地低。最近，中科院物理所何珂、呂力、馬旭村、王立莉、方忠、戴希等組成的團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團(tuán)隊(duì)合作攻關(guān)，在這場(chǎng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中顯示了雄厚的實(shí)力。他們克服了薄膜生長(zhǎng)、磁性摻雜、門(mén)電 壓控制、低溫輸運(yùn)測(cè)量等多道難關(guān)，一步一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)程鐵磁序以及能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，利用分子束外延方法生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的Cr摻雜（Bi，Sb）2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運(yùn)測(cè)量裝置上成功地觀測(cè)到了“量子反?；魻栃?yīng)”。該結(jié)果于2013年3月14日在 Science上在線發(fā)表，清華大學(xué)和中科院物理所為共同第一作者單位。

談到這一成果的現(xiàn)實(shí)意義，薛其坤院士說(shuō)：“目前計(jì)算機(jī)芯片里電子的運(yùn)動(dòng)可以看成是無(wú)規(guī)律的，從晶體管的電極一端到達(dá)另一端的時(shí)候，就像從農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)的一端到達(dá)另一端，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中老碰到很多無(wú)序的電子，要走彎路，走彎路就會(huì)造成發(fā)熱，這是目前晶體管發(fā)熱的重要原因之一。量子霍爾效應(yīng)中的電子就不像農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)一樣雜亂，而是像高速公路的汽車(chē)一樣，按照規(guī)則進(jìn)行。”

要實(shí)現(xiàn)整數(shù)/分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，所需磁場(chǎng)是地球地磁場(chǎng)的十萬(wàn)倍甚至上百萬(wàn)倍，要產(chǎn)生這樣的磁場(chǎng)需要一個(gè)非常大的設(shè)備，至少要冰箱那么大，一個(gè)計(jì)算機(jī)的芯片很小，顯然這種量子霍爾效應(yīng)很難得到應(yīng)用。但量子反?；魻栃?yīng)的好處在于不需要任何外加磁場(chǎng)，因此這項(xiàng)研究成果將推動(dòng)新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，可能加速推進(jìn)信息技術(shù)革命進(jìn)程。

如果今后把材料溫度提高到在日常溫度之下，有可能還會(huì)造出一種非常高速的電網(wǎng)，就是所謂的量子電網(wǎng)，將帶來(lái)我們目前無(wú)法想象的運(yùn)行速度。

這一研究成果獲得得到了楊振寧教授的高度評(píng)價(jià)。楊振寧表示這讓他想起很多年前接到物理學(xué)家吳健雄的電話，第一次告訴他在實(shí)驗(yàn)室做出了宇稱(chēng)不守恒的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)震驚了世界。今天薛其坤及其團(tuán)隊(duì)做出的實(shí)驗(yàn)成果，是從中國(guó)的實(shí)驗(yàn)室里第一次做出了諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)成績(jī)，不僅是科學(xué)界的喜事，也是整個(gè)國(guó)家的喜事。

楊振寧評(píng)價(jià)道，雖然獲諾貝爾獎(jiǎng)的具體標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法定義，但他相信99%在前沿物理學(xué)做研究的人都會(huì)同意這是一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的成果。過(guò)去人們總認(rèn)為中國(guó)人不擅于做實(shí)驗(yàn)，仿佛只會(huì)搞理論，其實(shí)中國(guó)已經(jīng)有世界一流的實(shí)驗(yàn)室，加上中國(guó)人的勤奮和團(tuán)隊(duì)合作精神，是能夠做出一流的實(shí)驗(yàn)的。

薛其坤等科學(xué)家共同表示，該成果的獲得是我國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期積累、協(xié)同創(chuàng)新、集體攻關(guān)的一個(gè)成功典范。前期，團(tuán)隊(duì)成員已在拓?fù)浣^緣體研究中取得過(guò)一系列的進(jìn)展，研究成果曾入選2010 年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展和中國(guó)高校十大科技進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)成員還獲得了2011年“求是杰出科學(xué)家獎(jiǎng)”、“求是杰出科技成就集體獎(jiǎng)”和“中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就 獎(jiǎng)”，以及2012年“全球華人物理學(xué)會(huì)亞洲成就獎(jiǎng)”、“陳嘉庚科學(xué)獎(jiǎng)”等榮譽(yù)。對(duì)于我國(guó)科技體制建設(shè)來(lái)說(shuō)，這一成果的獲得無(wú)疑是一個(gè)有力的肯定。