自然科學一等獎揭秘:量子反?；魻栃獙嶒灠l現-推動低能耗晶體管和電子學器件的發展
2019-01-10 11:53:43 N來源: 經濟日報·中國經濟網
微觀世界的運行由量子力學規律支配，會顯示出完全不同于宏觀世界的現象。當前，能夠在宏觀尺度顯示量子力學效應的量子材料是物理學、材料科學、電子學、量子信息等學科共同關注的焦點，有可能會推動材料、信息、能源等技術的革命性發展
剛剛落幕的國家科學技術獎勵大會上，由我國科學家薛其坤、王亞愚、何珂、馬旭村、呂力為代表的研究團隊完成的“量子反?；魻栃膶嶒灠l現”項目，獲得2018年度國家自然科學獎一等獎。
這項研究成果是世界物理學界近20年來最重要的實驗發現之一，成果將推動新一代低能耗晶體管和電子學器件的發展，可能加速推進信息技術革命的進程。
量子反?；魻柆F象因何能成為物理學研究皇冠上的明珠？它的發現究竟具有怎樣的科學、社會、經濟意義？請聽項目負責人、中國科學院院士、清華大學副校長薛其坤怎么說。
神秘的霍爾效應家族
從1879年美國物理學家霍爾發現霍爾效應，到反?；魻栃⒘孔踊魻栃⒎闯；魻栃孔踊茖W家一步步揭開霍爾效應家族神秘面紗
科學界對霍爾效應家族的研究由來已久。從140年前霍爾效應被發現，到2013年薛其坤團隊發現量子反常霍爾效應——霍爾效應家族不斷增添新成員。今天，我們就來揭開這些成員的神秘面紗。
通常，在普通導體中，電子的運動軌跡雜亂無章，不斷發生碰撞。而當在導體兩端加上電壓后，電子就會形成沿電場方向的穩定電流。
1879年，美國物理學家霍爾發現，如果在通電的非磁性導體上增加一個垂直于電流方向的外磁場，那么，導體中的電子由于磁場的作用力，會在垂直于電流方向的導體兩端形成穩定電荷積累，這就是著名的霍爾效應。霍爾效應在人類的日常生活中應用十分廣泛。比如，信號傳感器、汽車速度表和里程表、各種用電負載的電流檢測及開關，等等。
1880年到1881年間，霍爾又發現，在有磁性的導體上，即使不外加磁場，也可觀測到霍爾效應——這便是反?；魻栃?/p>
100年后，隨著量子物理學的發展，以及半導體技術日新月異，科學家發現，在外磁場足夠強且溫度足夠低時，半導體硅中的電子會在原地打轉，而其邊界上會形成不易被外界干擾的、電子半圓形跳躍的單向導電通道——即量子霍爾效應。在這種效應下，電子的運動幾乎沒有能量損耗。
“使用計算機時，我們會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態下芯片中的電子運動沒有特定軌道，相互碰撞從而發生能量損耗。”薛其坤打了一個比方，而量子霍爾效應可以對電子的運動制定一個規則，讓它們在各自的跑道上一往無前?！斑@就好比一輛高速跑車，常態下是在擁擠的農貿市場上前進，而在量子霍爾效應下，可以互不干擾地在高速路上飛馳。”薛其坤說。
隨著霍爾效應研究進入量子化時代，重大研究成果不斷涌現。1982年，崔琦和霍斯特·施特默發現了分數量子霍爾效應，因此獲得了1998年諾貝爾物理學獎。2005年，科學家們又發現了石墨烯中的半整數量子霍爾效應，斬獲2010年的諾貝爾物理學獎……
量子霍爾效應之所以如此重要，一方面由于它們展現了二維電子系統在低溫強磁場極端條件下的奇妙量子行為；另一方面這些效應可能在未來電子器件中發揮特殊作用，可以用于制備低能耗的高速電子器件。例如，如果把量子霍爾效應引入計算機或手機芯片，將會大大降低電腦、手機的發熱和能量耗散問題。
可能有人會問，這不意味著一場新的信息革命嗎？沒錯。
但是，霍爾效應實現量子化，有著兩個極端苛刻的前提條件：一是需要十幾萬高斯的強磁場，而地球的磁場強度才不過0.5高斯；二是需要接近于絕對零度的溫度。
在此背景下，科學家們又提出了一個設想：普通狀態下的霍爾現象會出現反常，那么，量子化的霍爾現象是否也能出現反常？如果有，不是就可以解決外加高磁場的先決條件了嗎？
從2008年開始，以華人物理學家張首晟為代表的理論物理學家，與清華大學的祁曉亮、劉朝星以及中國科學院物理所方忠、戴希等展開通力合作，從理論上預期了實現反?；魻栃孔踊目赡苄院涂赡艿牟牧象w系。
矛盾的研究
要實現反?；魻栃孔踊?，所需要的實驗材料必須同時滿足3個幾乎相互矛盾的嚴苛條件，這幾乎是不可能完成的任務
如何讓量子霍爾效應出現反常？這是過去30多年里，凝聚態物理和材料物理領域最具挑戰的實驗之一。因為，要實現這一目標，所需要的實驗材料必須同時滿足3個嚴苛條件。
簡單來說，就是要讓導體同時實現“磁性的”“拓撲的”“絕緣的”。而這3個條件之間常常是相互矛盾的，如果有磁性，做到絕緣不容易；相反如果絕緣，磁性很可能就消失了?！斑@就好比一個運動員，既要有速度又要有力量還要有技巧，這幾乎是不可能完成的任務。”清華大學物理系主任王亞愚說。
幸運的是，2006年，一種新型材料——拓撲絕緣體的出現，讓全球物理學家們看到了希望。
“拓撲絕緣體是一種新型量子材料，它的內部是絕緣的，但在它的邊界或表面總存在導電的邊緣態?！蓖鮼営藿忉屨f。
這種神奇材料的構想最初是張首晟與美國另外兩位科學家共同提出的。后來，張首晟通過與中國科學院物理所和清華大學的合作，把拓撲絕緣體研究帶到了中國。
2009年，張首晟團隊提出了將Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3摻入3d磁性元素，實現磁性拓撲絕緣體的方案，并做了具體的解析計算。隨后，張首晟又與方忠、戴希開展合作，認證了該系統乃是磁性拓撲絕緣體，是實現量子反常霍爾效應的理想材料。
這一系列的理論工作，引起了國內外實驗物理學家的廣泛關注。從此，一場轟轟烈烈的國際競賽開始了。
但是，要想真正在實驗室制作出理想的拓撲絕緣體材料，是一個世界級的科學難題。薛其坤解釋說，實驗要求做出高純度的單晶材料，100萬個原子中最多只允許出現一個雜質。而且，實驗要求做出極其平整的拓撲絕緣體，材料只能是5納米（1納米等于百萬分之一毫米）厚，表面凹凸1納米都不行。
當時，國際上已有多支頂尖團隊開展相關研究，而薛其坤團隊在人員、資金、經驗方面都不占優勢。在此情況下，薛其坤作為團隊負責人展現出一名科學家應有的沉著冷靜——他對團隊成員進行了合理分工：自己帶隊去研究制作高質量的拓撲絕緣體薄膜，王亞愚則負責反?；魻栃?a href="http://www.xebio.com.cn/measurement" target="_blank" class="keylink">測量。
在拓撲絕緣體研究初期，薛其坤敏銳地意識到，拓撲絕緣體材料的生長動力學與自己長期從事的砷化鎵研究具有非常類似的地方。材料的生長動力學是描述如何從一個個原子的反應最后形成一個宏觀晶體材料的過程。因此，只有掌握了材料的生長動力學，才能精確控制材料的生長，進而精確控制材料的質量。
在團隊成員共同努力下，僅用了三四個月，他們就在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的分子束外延生長動力學，實現了對樣品生長過程原子水平上的精確控制。這也幫助成功研制磁性拓撲絕緣體薄膜邁出了重要堅實的一步。
完美的成果
在1881年發現反?；魻栃?00多年后，中國科學家終于實現了其量子化——而且實驗結果干凈漂亮，數據完美得幾乎不可思議
生長、測量、反饋、調整……從2009年開始，團隊圍繞磁性拓撲絕緣體材料的研制，開啟了不厭其煩地重復。
團隊成員馬旭村回憶，實驗組總共做了超過1000次磁性摻雜的樣品測量。而在生長階段就失敗而沒拿去測量的樣品，根本沒人統計過?！绊樌麜r，一周能做出5塊樣品；不順利時，一個月也做不出來一塊?！?/p>
歷經不斷探索和磨合，團隊最終找到了一條合理的技術路線?！斑@在很大程度上得益于樣品生長和輸運測量研究組的緊密合作。團隊成員幾乎每天都通過郵件和電話交流實驗結果，每2至3周會開展一次充分討論，分析實驗的所有細節，并制訂下一步詳盡計劃。”團隊成員何珂說。
功夫不負有心人。2010年，團隊完成了對1納米到6納米厚度薄膜的生長和輸運測量，得到了系統的結果，從而使得準二維拓撲絕緣體的制備和輸運測量成為可能。2011年，團隊實現了對拓撲絕緣體能帶結構的精密調控，使其成為真正的絕緣體，去除了體內電子對輸運性質的影響。2011年底，團隊在準二維、體絕緣的拓撲絕緣體中實現了自發長程鐵磁性，并利用外加柵極電壓對其電子結構進行了精密調控——至此，量子反?；魻栃枰?個實驗材料苛刻條件終于全部實現！
從拓撲絕緣體材料生長初期的成功，再到后期克服實驗中的重重難關，薛其坤團隊付出了常人難以想象的努力。但實驗最終的成功與否，還要看一個標志性實驗數據——在零磁場中，能否讓磁性拓撲絕緣體材料的霍爾電阻跳變到25813歐姆的量子電阻值。
奇跡出現在2012年10月的一個晚上。薛其坤收到學生的短信：他們在實驗中發現了量子反?；魻栃嫩E象！
至今，薛其坤仍然清晰記得當時激動的心情。他當下組織團隊人員設計出幾套方案，部署好下一步實驗。一向嚴謹的薛其坤明白，一次的測量結果并不能說明問題，需要多次重復實驗。為確認看到的跡象就是量子反常霍爾效應，薛其坤邀請中國科學院物理所的呂力實驗組加入到最后階段的沖刺——他們的稀釋制冷機可以把實驗溫度降到30mk（比絕對零度高0.03℃）。
實驗數據不停跳動著，10000、20000、25813！數據停住了！材料在零磁場中的反?；魻栯娮柽_到量子電阻（h/e2~25813歐姆）的數值并形成一個平臺，同時縱向電阻急劇降低并趨近于零，這是量子反?；魻栃奶卣餍孕袨?。
這是見證奇跡的時刻——在美國物理學家于1881年發現反?；魻栃?00多年后，人類終于實現了其量子化！而且實驗結果如此干凈漂亮，數據完美得幾乎不可思議。
4年多艱苦卓絕的協同攻關，薛其坤團隊克服薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關，一步步實現了對拓撲絕緣體的電子結構、長程鐵磁序以及能帶拓撲結構的精密調控，最終為這一物理現象的實現畫上了完美句號。
“建立新的科學理論、發現新的科學效應和科學規律是基礎研究皇冠上的明珠。量子反?；魻栃且粋€基于全新物理原理的科學效應，是中華人民共和國成立以來我國獨立觀測到的不多的科學效應之一，是我國物理學工作者對人類科學知識寶庫的一個重要貢獻。”薛其坤說。
