追夢電子“高速公路”：記國家自然科學(xué)一等獎薛其坤團隊

1月8日，2018年度國家科技獎揭曉。由清華大學(xué)物理系和中國科學(xué)院物理研究所的科研人員組成的聯(lián)合攻關(guān)團隊，因成功在實驗上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，獲得2018年度國家自然科學(xué)一等獎。

“天道酬勤。”薛其坤用一口山東味的普通話吐露這一樸實的心聲。這也是該團隊多年來追夢電子“高速公路”的真實寫照。

目標鎖定電子“高速公路”

要弄清楚什么量子反常霍爾效應(yīng)，要從普通人的切身體驗說起。你大概經(jīng)常遇到這樣的問題——手機或電腦用上一段時間就會發(fā)熱，用不到一天就得充電，越用越卡……

在物理學(xué)家看來，這個問題的本質(zhì)在于電子運動會消耗能量。這不僅是制造算力要求高的電子器件的限制，也是科學(xué)界長期關(guān)注的難題。

要讓電子運動絕對無能耗，就必須將其雜亂無章的運動變成“高速公路”一樣的有序運動。對電子運動制定規(guī)則的“量子霍爾效應(yīng)”成為解決這個問題的希望。但由于實現(xiàn)“量子霍爾效應(yīng)”需要龐大的外加磁場，成本高昂，因此無磁場的“量子反常霍爾效應(yīng)”成為科學(xué)家的夢想。

“研究量子反常霍爾效應(yīng)是科學(xué)發(fā)展中自然的選擇，這也是學(xué)術(shù)發(fā)展的趨勢。”薛其坤表示。1994年，薛其坤在物理所獲得博士學(xué)位，并于1999年從日本留學(xué)歸國后入選中科院“百人計劃”加盟物理所，直到2005年調(diào)入清華大學(xué)。

基于團隊在拓撲物態(tài)領(lǐng)域積累的經(jīng)驗，薛其坤踏上尋找“量子反常霍爾效應(yīng)”的征途。

“千里挑一”和“步步為營”

2009年，科學(xué)家從理論上預(yù)言了碲化鉍（Bi2Te3）能夠?qū)崿F(xiàn)“量子反霍爾效應(yīng)”。隨后，中科院物理所研究人員從理論上提出Cr或Fe磁性離子摻雜的碲化鉍等拓撲絕緣體薄膜是實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的最佳體系，預(yù)言在磁性摻雜的拓撲絕緣體材料中可真正觀察到“量子反常霍爾效應(yīng)”。

基于上述預(yù)言，薛其坤團隊與清華大學(xué)、中科院物理所、斯坦福大學(xué)的研究者合作，對量子反常霍爾效應(yīng)的實驗開始了“大浪淘沙”的攻關(guān)。在物理所學(xué)習(xí)和工作期間，薛其坤主要開展了分子束外延生長及高質(zhì)量薄膜制備的實驗，調(diào)入清華大學(xué)工作后仍與物理所研究團隊保持著密切合作。

研究團隊共生長測量了超過1 000個樣品，可謂“千里挑一”。隨后，他們一步一步實現(xiàn)了對拓撲絕緣體的電子結(jié)構(gòu)、長程鐵磁序以及能帶拓撲結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，與當時在物理所工作的何珂、馬旭村充分醞釀，利用分子束外延方法生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜碲化鉍拓撲絕緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運測量裝置上成功地觀測到了“量子反常霍爾效應(yīng)”。

2013年，這項成果在《科學(xué)》（Science）上在線發(fā)表。“這是一篇里程碑式的文章。”《科學(xué)》審稿人對文章給予了高度評價。其中，中科院物理所崔琦實驗室完成了對這一實驗現(xiàn)象的極低溫電輸運測量，獲得了量子反常霍爾效應(yīng)的關(guān)鍵實驗證據(jù)。該實驗室主任呂力對《中國科學(xué)報》記者表示：“六年多前，我受薛其坤邀請，和當時的博士研究生沈潔一起，有幸參與了這一實驗，并最終在實驗上實現(xiàn)了反常霍爾效應(yīng)的完全量子化。”

據(jù)了解，該實驗室于2006年成立，掌握著國際領(lǐng)先的極低溫輸運測量技術(shù)。其創(chuàng)始人崔琦就曾因發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應(yīng)，獲得了1998年的諾貝爾物理獎。

“這次以崔琦先生名字命名的實驗室能夠參與到量子反常霍爾效應(yīng)的實驗發(fā)現(xiàn)這一工作中來，不失為拓撲量子物態(tài)研究方面的一段佳話，也是得益于不同單位科學(xué)家之間的通力合作。”呂力表示。

小目標和大夢想

回首多年來的探索與研究，薛其坤認為，數(shù)年如一日的堅守“大夢想”的背后離不開團隊成員對于科學(xué)“小目標”的追求。

“我們每天都會為實驗制定詳細的計劃。”接受《中國科學(xué)報》專訪時，薛其坤說。例如，對不同溫度下反應(yīng)結(jié)果的觀測，這看起來是一個小目標，但每提高或降低一度都可能意味著重大的新發(fā)現(xiàn)。

“最困難的是發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題，如果無論升高或降低溫度都無法解決問題，可能就需要重新分析并開展其他實驗。”

正是計劃中的這些“小目標”，讓他們對科學(xué)保持著持久的熱忱與動力。

薛其坤透露，目前團隊已將量子反常霍爾效應(yīng)的觀測溫度從30mk提升到1K，實現(xiàn)了30倍的增長。

展望未來，薛其坤表示，量子反常霍爾效應(yīng)可以用于發(fā)展新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件，克服芯片發(fā)熱和能量損耗問題，加速信息技術(shù)革命進程，但距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有很長的一段路要走。

來源：科學(xué)網(wǎng)