2013年3月14日,美國《科學(xué)》雜志在線發(fā)布了一則轟動科學(xué)界的新聞:由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜、清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所組成的實驗團(tuán)隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應(yīng)。著名美籍華裔物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者楊振寧甚至激情澎湃地宣稱:“此次成果是從中國的實驗室里,第一次發(fā)表出了諾貝爾獎級的物理學(xué)論文,不僅是科學(xué)界的喜事,也是整個國家的喜事。”實驗結(jié)果公布后,薛其坤曾應(yīng)邀去日本作學(xué)術(shù)報告,日本科學(xué)家給他發(fā)來了郵件,稱贊“這是我在過去十年里聽到的最好的學(xué)術(shù)報告,我們真沒有想到你們最終發(fā)現(xiàn)了這一美妙現(xiàn)象”。另一位美國知名物理學(xué)家也向課題組發(fā)來郵件,“看到你們的結(jié)果,我真感覺有些嫉妒。但回過頭想起來,這個工作巨大的難度也確實讓我們嘆為觀止。”如果說,以上都是個人發(fā)表的評論,有些主觀,不夠說服力,可以看看美國《科學(xué)》雜志的匿名評審給出的評價,“這篇文章結(jié)束了對量子反常霍爾效應(yīng)多年的探尋,這是一項里程碑式的工作。我祝賀文章作者們在拓?fù)浣^緣體研究中作出的重大突破。”

到底這個量子反常霍爾效應(yīng)有多么神奇,引得眾人圍觀并獲得如此稱贊,這還要從19世紀(jì)末說起。

1879年美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)如果對通電的導(dǎo)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)象被稱為“霍爾效應(yīng)”。霍爾效應(yīng)是針對電子級別的一種微觀粒子的物理現(xiàn)象,但值得注意的是,在當(dāng)時,電子并沒有被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。①1980年德國科學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng),獲得1985年諾貝爾物理學(xué)獎,1982年美國科學(xué)家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng),獲得1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。綜上,就知道楊振寧為什么對量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)如此震驚和不吝贊譽了。

量子霍爾效應(yīng)不僅僅是高大上的理論,它跟我們的生活息息相關(guān),尤其是現(xiàn)如今,各種各樣五花八門的電器已經(jīng)完全占據(jù)了我們的生活。手機、電腦、電視,無所不在。我們在使用這些電器的時候,機身會發(fā)熱,這是最平常不過的現(xiàn)象,臺式機的主機之所以做得那么大就是為了散熱,不僅如此,還要在里面專門加一個散熱的風(fēng)扇。這不僅是能量損耗,更會影響電器的使用,使得電器運行速度變慢,耗能變多。這是因為常態(tài)下芯片中的電子運動沒有特定的軌道,相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。量子霍爾效應(yīng)則可以“馴服”這些電子。用薛其坤院士接受中央電視臺采訪時所說的話說就是:“這就好比一輛高級跑車,常態(tài)下是在擁擠的農(nóng)貿(mào)市場上前進(jìn),而在量子霍爾效應(yīng)下,則可以在‘各行其道、互不干擾’的高速路上前進(jìn)。”

然而,量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強的磁場,相當(dāng)于外加10個計算機大的磁鐵,或者說像一個大衣柜,這不但體積龐大,而且價格昂貴,根本不適合個人電腦和便攜式計算機。按照現(xiàn)在寸土寸金的房價,就算買得起這樣的機器,恐怕也沒有地方安放。但是科研工作者并沒有就此止步。就在美國科學(xué)家施特默因為發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的1988年,同樣屬于美國的物理學(xué)家霍爾丹提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng),不需要任何外加磁場,在零磁場中就可以實現(xiàn)量子霍爾態(tài),如果是這樣的話,那么便可應(yīng)用到人們?nèi)粘K璧碾娮悠骷小?/p>

試想一下,如果利用量子反常霍爾效應(yīng)發(fā)展出低能耗晶體管和電子學(xué)器件,這將克服電腦的發(fā)熱和能量耗散問題,從而有可能推動信息技術(shù)的進(jìn)步,這將有可能加速推進(jìn)信息技術(shù)革命進(jìn)程,進(jìn)而引發(fā)全球科技的大跳躍。現(xiàn)在,我們的手機頂多是幾個G的存儲量,應(yīng)用量子反常霍爾效應(yīng),可以達(dá)到幾個T,同樣的,現(xiàn)在那些前移次超級計算機有可能縮小到筆記本大小。

但是多年來一直未能找到能實現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)的材料體系和具體物理途徑。可以說,全世界許多頂尖的科學(xué)家都在這個領(lǐng)域探索,期望自己能成為發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的第一人,關(guān)于花落誰家的問題大家也非常關(guān)注。最終薛其坤院士拔得頭籌。這實在是振奮人心的事。我們常常說,什么是愛國,這就是最大的愛國。在戰(zhàn)爭年代捍衛(wèi)祖國的尊嚴(yán),在和平年代為祖國爭取榮譽。

為什么是薛其坤院士?這并不是像蘋果從樹上墜落砸中牛頓腦袋那么簡單的事情。現(xiàn)在科學(xué)每一小步進(jìn)展,都包含了科研人員無數(shù)的汗水和腦細(xì)胞。

薛其坤團(tuán)隊經(jīng)過近4年的研究,生長測量了1000多個樣品。最終,他們利用分子束外延方法,生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓?fù)浣^緣體磁性薄膜,并在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應(yīng)。熬夜加班是家常便飯,突然有一天,正常下班大家才會覺得奇怪。在清華大學(xué),薛其坤院士有一個乍聽起來怪異的外號“7—11”②——他早上7點就扎進(jìn)實驗室,一直干到晚上11點。這樣的作息時間,薛其坤堅持了20年。毛主席說,做一件好事不難,難的是做一輩子好事。加一天班也不難,難的是加20年。然而,薛其坤院士做到了,中國做到了。

不管將來薛其坤院士是否能夠摘取諾貝爾物理學(xué)獎的桂冠,他都將成為我們的自豪和驕傲。

①電子是1897年由J.J.湯姆遜發(fā)現(xiàn),并于1906年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

②7—11,便利店。最初7—11的經(jīng)營理念是在非正常營業(yè)時間(晚7點至第二天上午11點)仍能夠提供零售服務(wù),現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成24小時全天候營業(yè)。7—11已成為全天候營業(yè)便利店的指代。

對薛其坤團(tuán)隊的發(fā)現(xiàn)高度評價的楊振寧教授

霍爾效應(yīng)

量子反常霍爾效應(yīng)

薛其坤和他的團(tuán)隊

嚴(yán)以律己的薛其坤院士

 

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中國最接近諾貝爾物理學(xué)獎的一次發(fā)現(xiàn)

圖文簡介

清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜、清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所組成的實驗團(tuán)隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應(yīng)。