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量子反常霍尔效应:中国实验室里做出来的“诺奖级成果”

2019-01-09 09:43来源:新华网

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  从中国实验室里,继铁基超导、多光子纠缠、中微子振荡后,我国物理学再获突破性进展。1月8日,由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔的清华大学和中科院物理所实验团队在量子反常霍尔效应取得的突破性成果,获得2018年度国家自然科学奖一等奖。

  全球首次发现:中国实验室里产生的世界级基础研究原创成果

  “量子反常霍尔效应”——当第一次听说这个名字,许多人都会一头雾水。然而,走进这座自由王国,人们会发现一栋截然不同的摩天大楼。因为薛其坤团队的发现,中国标注了这座大楼的新高度。

  微观世界的运行由量子力学规律支配,会显示完全不同于宏观世界的现象。霍尔效应是一种常见的电磁现象,广泛应用于磁传感器和半导体工业。那么当量子反常霍尔效应出现,会产生怎样的神奇?

  科学家们认为,量子反常霍尔效应的最美妙之处是“不需要任何外加磁场就可以实现电子的量子霍尔态”。因此,这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术革命的进程。

  据介绍,量子反常霍尔效应,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,减少了中间阻碍,降低了电子运动中的能量损耗。

  这一发现经转化应用,对普通大众来说,最直接的影响就是有可能会解决手机或电脑发热、耗电快、运行慢等问题。

  自1988年美国物理学家提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应以来,不断有物理学家发表各种方案,但在实验上并没有取得任何实质性进展。2008年,薛其坤率领团队开始进入这一领域,经过四年研究,终于在世界范围内首次观测到量子反常霍尔效应。

  这是世界物理学界近年来最重要的实验进展之一,引领了国际学术方向。这一发现的论文在美国《科学》杂志发表后,诺贝尔奖获得者杨振宁称:“这是从中国实验室里,第一次发表出了诺贝尔奖级的物理学论文!”

  创新实验方法:学术道路前行每一步都有意义

  从沂蒙山区走出来的薛其坤,个子不高、乡音浓浓,朴实而风趣。奋斗与执着,是他和团队成员王亚愚、何珂、马旭村、吕力等在科学之路上的人生信条。

  薛其坤研究团队长期以来结合分子束外延生长、极低温强磁场扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱技术,在表面、界面、低维物理学领域做出了国际一流的工作。

  2008年,薛其坤研究团队抓住拓扑绝缘体这个新领域兴起的契机,在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的生长动力学机制,利用分子束外延生长出国际最高质量的样品。所提出的生长方法现已成为国际上通用的拓扑绝缘体样品制备方法。

  在此基础上,他们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等独特性质。该研究团队与国内相关科学家的努力使得中国在拓扑绝缘体领域研究中处于国际领先行列。

  “这是过去二十多年来凝聚态物理和材料物理领域,最具挑战性的实验之一。”薛其坤坦言,实验的难度在于目标的不确定性,“我们所要实现的材料就像一个人既需要短跑运动员的速度、又要有举重运动员的力量、更要有花样滑冰运动员的技巧”。

  “我们的实验结果得到了科学界的重复验证,量子反常霍尔效应的实验经受住了历史的考验。”薛其坤说,“想在科学原创上发现别人看不到、发现不了的东西,肯定你的眼睛要更亮,你使用的仪器工具分辨率、灵敏度必须要更高。”

  量子反常霍尔效应和高温超导是物理学界最热门的两个课题。薛其坤已经完成了前者,下一步将朝着后者进发。他坦言这是一次崭新的尝试:“在学术的道路,前行的每一步都有意义,这就是科学的魅力。”

  理解“物理之美”:中国基础科研正处“黄金时代”

  科学探索就是无数次接近真理的过程。现在的薛其坤,越来越深刻地理解了“物理之美”。他认为,自己的生活每天就是回答为什么,探寻谜底的过程让他乐此不疲。

  “我们的成果与改革开放40年来取得的成就密不可分。”薛其坤说,量子反常霍尔效应的发现是改革开放40年间我国在基础研究上的一个重大成果,日益强大的国力、良好完善的科技政策、科学系统的科技规划、催人奋进的创新氛围是基础和保障。

  发现量子霍尔反常效应团队的五位主要完成人,平均年龄48岁,他们瞄准同一重大科学目标,各有所长但相对独立,单元科研团队的成员间形成了高效合作,其深度和持久性在国内外也不多见。

  人类的生命稍纵即逝,物质也会随着时间湮灭,唯有不朽的知识闪耀在历史的长河里。团队成员们表示:“中国的基础科研正处在一个黄金时代,能成为这个时代的奋斗者,倍感幸福。”

  薛其坤认为,必须让创新人才坐得住冷板凳、耐得住寂寞,在基础研究、原始创新上不断突破,夯实国家核心竞争力的基石。

  “我们是党和国家培养起来的科学家。新时代为我们提供了更好的机遇,我们定要不负使命、努力奋斗,为国家强大、人民幸福和科学探索不断做出新的贡献。”薛其坤和他的同事们壮志满怀。(新华社记者陈芳、胡喆、荆淮侨)

[责编:张佳兴]

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