（視頻來源：清華大學）

1月8日，2018年度國家科學技術獎揭曉?！傲孔臃闯；魻栃膶嶒灠l(fā)現(xiàn)”摘得國家自然科學獎一等獎。

由中科院院士、清華大學教授薛其坤領銜的清華大學、中科院物理所實驗團隊在國際上首次從實驗中觀測到“量子反常霍爾效應”，這項重大基礎物理學成果被楊振寧稱為“中國實驗室里發(fā)表的第一次諾貝爾獎級的物理學論文?！?/p>

我們知道，電子在導體中的運動并沒有明確的方向和軌跡，在流動的過程中還會使導體發(fā)熱、產(chǎn)生能量損耗。140年前，美國物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)，如果對通電的導體加上垂直于電流方向的磁場，電子的運動軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，這個電磁現(xiàn)象就是“霍爾效應”?；魻栃且环N常見的電磁現(xiàn)象，廣泛應用于磁傳感器和半導體工業(yè)。

1980年，德國科學家馮?克利青發(fā)現(xiàn)在強磁場下會出現(xiàn)“量子霍爾效應”，使電子運動沒有能量損耗。關于量子霍爾效應和拓撲物態(tài)的一系列發(fā)現(xiàn)和研究先后在1985年、1998年、2016年獲得諾貝爾物理獎，成為物理學最近幾十年最受關注的研究領域之一。

但物理學家還認為“量子霍爾效應家族”中應該存在“量子反?；魻栃?，不需要強磁場也能使電子運動沒有能量損耗。量子反常霍爾效應是又一個全新的量子化的霍爾效應。由于其不需要外加磁場，是“量子霍爾效應家族”中最接近應用的。在實驗上在真實材料中發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?，長期以來一直是物理學家追求的目標，但如何在實驗上觀測到是一個難題。自1988年開始就不斷有理論物理學家提出各種方案，但是實驗上沒有仼何實質(zhì)性的進展。

從2009年起，薛其坤院士領導的實驗研究團隊與清華大學、中科院物理所、斯坦福大學的研究者合作，對量子反常霍爾效應的實驗實現(xiàn)進行攻關。他們試驗了超過1000個樣品，一步步克服了重重障礙，終于找到一種叫做“磁性拓撲絕緣體薄膜”的特殊材料，并從實驗中觀測到“量子反?；魻栃薄?strong>“做研究必須有咬定青山不放松的精神，面對復雜的現(xiàn)象，找到本質(zhì)，由表及里地來分析問題、解決問題。”薛其坤說。

實驗中做到量子反?；魻栃臏y量難度極大。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(xiàn)對其的測量，這就相當于做一張學校操場那么大的A4紙，又要讓它非常均勻?！?/strong>

完成如此高難度的實驗，離不開尖端科研儀器的運用。薛其坤研究團隊長期以來結合分子束外延生長、極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡、角分辨光電子能譜技術，在表面、界面、低維物理學領域做出了國際一流的工作?！肮び破涫拢叵壤淦??！毖ζ淅ふJ為，想在科學原創(chuàng)上發(fā)現(xiàn)別人看不到、發(fā)現(xiàn)不了的東西，肯定你的眼睛要更亮，你使用的儀器工具分辨率、靈敏度要更高。

把這么多尖端科學儀器和技術結合到一起，讓它們的功能發(fā)揮到極致，是一件非常困難的事。另一方面，要把這么多頂尖的科學家結合到一起，為了共同的科學目標，通力合作，形成一個非常有戰(zhàn)斗力的科研團隊，也是一件很有挑戰(zhàn)性的工作。“我們平日里都是單兵作戰(zhàn)，為了共同的科學目標，我們走到了一起，形成了最有效的合作?！毖ζ淅ふf。

讓團隊感到更具挑戰(zhàn)性的，是目標本身的極大不確定性?！爱斈愀闪宋迥暌院螅l(fā)現(xiàn)這個理論對嗎？說實話，我們也不知道?！毖ζ淅ふf，“愛因斯坦在100年前就預言了引力波的存在，直到近年來才證明。我們要想在基礎研究領域獲得突破，就要有一種愚公移山的精神，堅持一代人、兩代人，甚至幾代人，把一件事情做好。”

量子反常霍爾效應的首次實驗發(fā)現(xiàn)，是世界物理學界近幾年的最重要的實驗進展之一，引領了國際學術方向。該成果發(fā)表后引起國際學術界的巨大反響，得到了楊振寧先生等知名物理學家的高度評價?！爱敃r也有一些質(zhì)疑的聲音，認為我們的結果是不是學生用計算機‘平滑’‘修改’出來的。少數(shù)人覺得我們中國的科學家不可能做出這么重要的成績來。”薛其坤回憶說。在論文發(fā)表近一年后，日本和美國的競爭者相繼在相同的材料系統(tǒng)中重復出此項結果，也最終將這些質(zhì)疑一掃而空。

薛其坤說：“量子反?；魻栃陌l(fā)現(xiàn)，是改革開放40年來我國基礎研究的一個重大成果，日益強大的國力、良好完善的科技政策、科學系統(tǒng)的科技規(guī)劃、催人奮進的創(chuàng)新氛圍，是我們的基礎和保障。一個國家如果不穩(wěn)定，沒有經(jīng)濟實力，沒有非常好的科研系統(tǒng)和體制，不可能會誕生這樣的成果?！?/p>

量子霍爾效應可以用于發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學器件，克服芯片的發(fā)熱和能量損耗問題，有可能推動信息技術的進步。然而，普通量子霍爾效應的產(chǎn)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甚至幾十萬倍），應用起來非常昂貴和困難。而量子反?；魻栃淖蠲烂钪幨遣恍枰魏瓮饧哟艌?，因此，這項研究成果將可能推動新一代的低能耗晶體管和電子學器件的發(fā)展，加速推進信息技術革命的進程。

[責任編輯：楊凡、梁延菊]

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