在中国实验室里做出“诺奖级成果”

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1月8日上午,北京人民大会堂,清华大学副校长薛其坤院士走上主席台,接过了国家自然科学奖一等奖的获奖证书,他和团队的获奖项目是“量子反常霍尔效应的实验发现”。此时,距2013年他们首次将实现量子反常霍尔效应的成果发布在《科学》(Science)杂志上已过去6年时间。

什么是量子反常霍尔效应?薛其坤形象地说,该发现可以改变电子的运动轨迹,使其像在高速公路上行驶的汽车一样有序。这项研究成果将会推动新一代低能耗晶体管和电子元器件发展,解决电脑发热、能量耗损等问题。对普通人来说,最直接的影响就是有可能摆脱手机或电脑发热、耗电快、运行慢等困扰。

量子霍尔效应是现代物理学的重要研究领域,与其相关的研究发现曾4次摘得诺贝尔奖。量子反常霍尔效应由于其存在不需要外加磁场,所以比此前发现的量子霍尔效应在应用方面要方便得多。在实验中实现量子反常霍尔效应,是长期以来科学界关注的焦点。

突破的契机出现于2006年,美国斯坦福大学教授张首晟领导的团队成功预言了一类名为“拓扑绝缘体”的材料,它的神奇之处在于内部绝缘,表面却可以导电。2008年,张首晟团队又与清华大学、中科院物理所的合作伙伴们一起提出了在拓扑绝缘体中引入磁性,将有可能实现量子反常霍尔效应的理论。

2008年10月,薛其坤在一次课题组汇报中听博士生李耀义介绍了拓扑绝缘体的概念以及相关研究成果。与学生们进一步讨论后,一直从事凝聚态物理和材料科学研究的薛其坤,决定进行拓扑绝缘体研究,通过实验来验证假说。

经过一系列努力,薛其坤团队抓住拓扑绝缘体这个新领域的契机,在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的生长动力学机制,并利用扫描隧道显微镜揭示出拓扑绝缘体表面态的拓扑保护性和朗道量子化独特性质。

“这是关键的一步,迈出了这一步,后面的工作才能顺利展开。可以说从建立这类材料的生长动力学这一天起,我们就奠定了在这项研究中的领先地位。”薛其坤解释道。

紧接着,薛其坤领导的实验团队对量子反常霍尔效应的实验进行攻关,研究不断取得阶段性进展:

——2010年,完成对1纳米到6纳米(头发丝粗细的万分之一)厚度薄膜的生长和输运测量,得到系统的结果,从而使准二维拓扑绝缘体的制备和输运测量成为可能;

——2011年,实现对拓扑绝缘体能带结构的精密调控,使其成为真正的绝缘体,去除了体内电子对输运性质的影响;

——2011年底,在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性,并利用外加栅极电压对其电子结构进行原位精密调控。

然而,此后的研究工作陷入了停滞不前的状态……

突破来自一次偶然的尝试。2012年10月12日晚,研究团队在实验室做实验时有了非比寻常的发现。

薛其坤形容自己当时的情绪是兴奋和担心交织,“全世界很多顶尖实验室都在攻克这个实验,我们不知道谁在做,也不知道他们什么时候能做出来”。但很快,他就冷静下来,“这些年大家的努力奋斗一定会有回报,天道酬勤”。

接下来的一个半月里,他们在紧张焦灼中共同奋战,进一步提高样品质量,并与中科院物理所吕力研究组通力合作,对样品进行了30毫开温度下的极低温输运测量。终于,在12月8日,团队观测到了完美的量子化平台——量子反常霍尔效应被发现了!

在完成实验测量,获得最终数据的那天,薛其坤特意带了两瓶香槟酒和团队成员庆祝。

2013年3月,成果顺利发表在《科学》杂志上。著名科学家、诺贝尔物理学奖得主杨振宁教授兴奋地表示:“这是第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文。”

在量子反常霍尔效应实验结果刚发现时,国际上曾出现过一些质疑声。“但我们很自信,我们有深厚的积累和过硬的实验技术,学生也都经过严谨的训练,我们的每个数据都是可重复的。”薛其坤说。

这是一段没有跑道的科学长跑。2014年至2016年,东京大学、加州大学、麻省理工学院、普林斯顿大学先后重复验证了这一发现,不同领域的权威学者均将这一发现作为学术引用。瑞典皇家科学院编写的《2016年诺贝尔物理奖科学背景介绍》中,将此发现列为拓扑物质领域代表性的实验突破,成果得到了权威评价机构认可。

而后,薛其坤和团队不断地赢得鲜花和掌声:2014年,薛其坤荣获求是杰出科学家奖、何梁何利科学与技术成就奖;2016年,他获得首届“未来科学大奖”;2018年,获得国际上一项纳米科学成就奖。团队成员马旭村获中国青年女科学家奖,王亚愚获中国物理学会“黄昆物理奖”,何珂获日本“仁科芳雄亚洲奖”……

多年的科研经历令薛其坤深谙科学发现的“秘诀”。他一再叮嘱学生,不要紧盯今天发篇好文章、明天找份好工作,而要真正把某个感兴趣的科学命题搞清楚,完成从科研执行者到指挥策划者的“蜕变”。

如今的薛其坤,依然和团队一起奋战在科研第一线,他们都期待能发现更多有趣的量子物态和量子效应。

因为,在薛其坤的内心始终有一条没有终点的“跑道”。他希望,在这条“跑道”上未来能有更多有才华的年轻人,不断地从他们手中接过“奔跑”的接力棒。

本报北京1月8日电

《中国教育报》2019年01月09日第3版 

 
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