薛其坤 捕捉量子世界的微光 访2018国家自然科学奖一等奖得主薛其坤

捕捉量子世界的微光

我们的记者任敏

红色的获奖证书，格外醒目。捧在胸前，薛其坤感慨万千:“很激动，很激动，很光荣！”

这是一年一度的国家科学技术奖励大会的会址。根据量子反常霍尔效应实验，清华大学副校长、中国科学院院士领衔的团队获得了2018年国家自然科学奖唯一一等奖。中国实验室的这一伟大成就，是30多年来全世界凝聚态物理领域最重要的实验发现之一，被杨振宁誉为“诺贝尔奖级”科研成果。因此，薛其坤也被称为“最接近诺贝尔奖的院士”。

在收到习近平总书记证书的喜悦时刻，薛其坤脑海中闪现的是7年前遭遇瓶颈时队员们忙碌的身影。经过数千个样本和无数次重复，他们终于抓住了量子世界的微光，迎来了“见证奇迹”的时刻。

非常有希望的预测

量子反常霍尔效应，少了八个字，挺拗口的。在2013年春季薛其坤团队在全球首次公布这一现象之前，中国公众对这个热门物理词并不熟悉。

要理解这个概念，首先要讲“霍尔效应家族”。1879年，美国物理学家霍尔发现了霍尔效应，霍尔效应定义了磁场和感应电压之间的关系。当电流在磁场中通过导体时，磁场会产生垂直于电子运动方向的力，从而在垂直于导体和磁感应线的两个方向上产生电位差。汽车中的许多传感器都与此相关。

两年后，这位学者再次发现了反常的霍尔效应，即在没有外磁场的磁性导体上可以观察到霍尔效应。整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应实验分别获得诺贝尔物理学奖。量子反常霍尔效应被认为是量子霍尔效应家族中最后一个被实验发现的成员。

正常情况下，电子在材料中的运动没有特定的轨道，是高度无序的。电子与电子、电子、杂质发生碰撞，导致发热、耗能等问题。但在量子反常霍尔效应中，不需要外加磁场，电子的运动是高度有序的，就像高速公路上的汽车，各行其道，不回头。薛其坤打了个比方，就像“电子高速公路”。这意味着这种效果在制备低能耗的高速电子器件领域是有希望的。

但它真的存在吗？实验证明，量子反常霍尔效应曾一度成为凝聚态物理学家关注的焦点。

2006年，来自斯坦福大学的中国科学家张首晟首次提出，在拓扑绝缘体中引入磁性可以实现量子反常霍尔效应。凝聚态物理和材料科学一直是薛其坤的研究领域，他一直关注相关的研究，他预见到这是一个非常有前景的预测。

2008年10月15日，薛其坤决定带领团队尝试实验验证。

为了实现量子反常霍尔效应，实验条件非常苛刻。材料的电子结构必须具有独特的拓扑特征，材料必须具有长程铁磁有序，材料的本体必须处于绝缘状态。这三者缺一不可，往往相互矛盾。

虽然在人员、资金、经验等方面没有优势，但薛其坤自信自己有必胜的法宝:一个精诚合作、拼搏精神的团队。高质量的材料是实现量子反常霍尔效应的关键。分工，从一开始就明确，一组负责拓扑绝缘体材料的生长，另一组负责测量生长样品的特性。薛其坤本人负责样本增长。

薛其坤还发现拓扑绝缘体材料的生长动力学与他长期对砷化镓的研究相似。在他的指导下，该团队仅用三四个月的时间，在全球率先建立了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学，可以在原子水平上实现对样品生长过程的精确控制。这也使得薛其坤团队比其他国际同行更有胜算。

在“7-11”模式下与时间赛跑

2010年，完成了1纳米至6纳米厚度薄膜的生长和输运测量。2011年，拓扑绝缘体的能带结构进行了精确调整。2011年底，在准二维绝缘拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性，其电子结构通过外栅电压进行了精确的原位调整...

在过去的两年里，量子反常霍尔效应的三个苛刻条件被一一实现！实验进行得出奇的顺利，但数据结果并不理想。

通往科学巅峰的道路从来都不是平坦的。

薛其坤的博士生潇峰回忆说，“即使所有条件都满足，材料的参数也需要处于微妙的平衡状态，才能发生量子反常霍尔效应。”但是实验中的参数很多，不同参数之间有无数的排列组合，给故障排除带来了很大的困难。

每个人都陷入集体焦虑，感到“压力很大”。这时，薛其坤发现了苗头，热情地鼓励这群年轻人。“科学发现可以是偶然的，但为科学发现做准备是必然的。”这位在沂蒙山区长大的科学家，只考过三次研究生，七年才毕业。在他看来，挑战是科研生活中的常态。“我们科学家就是瞄准困难，解决困难。”

耶！这些挫折难在哪里？薛其坤已经尝到了人生最艰难的时刻。那是在1992年，研究生第五年。他去日本留学，进入了世界上最先进的实验室。然而，由于英语听力不好，他无法学习和参与复杂的实验操作。时不时地，他也遭受错误的实验装置。导师的“白眼睛”；他不习惯早上7点到晚上11点实验室里的“7-11”模式；他想念远在祖国的妻子和孩子。每次他打电话回家，他的鼻子都酸酸的。语言不通，没有朋友，每一天，薛其坤都这样形容那段时间，“就像一艘孤独的小船，漂流到大海深处，那里没有停靠的地方。我差点过不去！”

“我是中国人，我爱我的祖国……”和家人说话时，儿子背诵了刚学的课文。稚嫩的童声令焦虑中的薛其坤为之一振。“我要对得起我的家人和我的祖国。”

当他再次想家时，他会花半个小时强迫自己冷静下来，恢复健康；“7-11”太长了，他跑到厕所关上门，花了10分钟打个盹；语言能力也在日复一日的练习中得到提高。经过八九个月的“魔鬼训练”，薛其坤开始独立操作仪器，研究有所进步。尝到了高度勤奋的甜头，他把“7-11”的套路“抄”到了周末，甚至把离开实验室的时间推迟到了凌晨。

回国后，薛其坤还把“7-11”模式复制到研究所和实验室。给予非常多的回报。35岁晋升教授，41岁成为中国科学院最年轻的院士之一。

在最困难的时候，这种拼搏精神感染了队里的年轻人。潇峰说:“组里的学生都很勤奋。有时候他们凌晨1点离开实验室，看到老师办公室的灯还亮着，会觉得很尴尬。”

团队成员何科记得，因为一个新想法，薛老师在凌晨一两点给自己发了一封邮件。更多的同学记得，即使下飞机已经是晚上12点了，薛其坤还是坚持要去实验室看看。

见证了成千上万个样本后的奇迹

“你磨出来的针比别人亮，你磨出来的镜子比别人平，你在每一件小事上都做到最好，那么你最终会享受到科研带来的回报！”谈起努力的乐趣，薛其坤眼睛一亮，不自觉地加快了语速。

半年瓶颈期，薛其坤鼓励学生把每一个细节都讲清楚，把实验的每一部分都做到极致。

过去，研究团队担心几纳米厚度的拓扑绝缘体材料会被破坏，会不断设置和优化衬底和保护层。一次，潇峰试图反其道而行之。去除材料保护层后，反而出现了显示量子反常霍尔效应迹象的样品。

2012年10月12日，一位团队成员在实验中发现，横向霍尔电阻达到15000欧姆以上，仅为理想值的0.6倍，但纵向电阻却有所下降，这与之前两者同时上升的趋势大相径庭。

那天，薛其坤回家比平时早了一点。他清楚地记得，晚上10点30分左右，他刚停车就收到了学生发来的短信。这个消息让他非常兴奋。“好像看到了量子反常霍尔效应的尾巴！”他立即组织了一个团队，设计了多个方案，并安排了实验细节。作为一个严谨的实验物理学家，经验告诉他，一次测量无法解释问题，只有反复验证才能获得可靠的数据。最后阶段，他还邀请了中国科学院物理研究所吕力实验组合作，其稀释冰箱可以将实验温度推到接近绝对零度的极低温度。

一个半月后的12月8日，是一个值得铭记的日子。

在实验室里，每个人都盯着屏幕。数据跳了几次，霍尔电阻停在25813欧姆，形成一个平台。此时，纵向阻力急剧下降，接近于零。

成功了。量子反常霍尔效应出现了！这是世界上第一次！在4年的时间里，经过数千个样本，无数次的成长、测量、反馈和调整，他们终于迎来了“见证奇迹”的时刻。在获得最终数据的当天，薛其坤特意开了两瓶香槟和大家一起庆祝。

2013年3月15日，世界著名学术期刊《科学》在线发表了这一成果。同年4月，在清华大学的新闻发布会上，获得诺贝尔物理学奖的杨振宁先生称赞:“这是中国实验室发表的第一篇获得诺贝尔奖的物理学论文。”

一位美国知名物理学家给课题组发了一封邮件，“看到你们的成果，我真的有点吃醋。但回过头来看，这份工作的巨大难度着实让我们大吃一惊。

2014年至2016年，东京大学、加州大学、麻省理工学院和普林斯顿大学多次验证这一发现。这一发现在瑞典皇家科学院编写的《2016年诺贝尔物理学奖科学背景介绍》中被列为拓扑物质领域具有代表性的实验突破。

“梦之队”继续探索量子世界

攀登科学高峰永无止境。自2012年底首次发现量子反常霍尔效应以来，团队中有三四个研究小组保持了长期的密切合作。在过去的七年里，激动人心的突破接踵而至:

2015年，实现了量子反常霍尔效应零电导平台的首次观测；

2014年、2015年和2017年，在磁掺杂拓扑绝缘体的磁性和输运性质调控方面取得重大突破；

2018年，团队将量子反常霍尔效应的观测温度提高了10倍，首次实现了量子反常霍尔效应的多层结构，就像为电子交通搭建了一座“立交桥”。

作为一种全新的科学效应，量子反常霍尔效应形成了一个全新的研究方向。

薛其坤说，目前他们正在努力的细分方向有三个。第一，以量子反常霍尔效应为起点，探索发现电子运动的新规律；二是提高观测温度或量子反常霍尔效应出现的温度；第三，我们尝试用更便宜、更实用的材料体系制作样品，为未来大规模的工业应用打下良好的基础。

“为国家培养具有国际竞争力的人才，做出其他国家敬佩和尊重的科研成果，我以前不敢这么说，但现在我觉得这是我这个年龄的中国科学家应该做的。”如今，作为清华的副校长，薛其坤在“不等人”的状态下，全身心地投入到科研工作中。“既然喜欢科研，就要把所有的时间都投入其中，在享受的同时完成自己的使命。”

2017年底，北京量子信息科学研究院成立，薛其坤成为首任院长。研究院将整合北京市量子态科学、量子通信、量子计算等领域现有骨干力量，引进全球顶尖人才，开展理论、材料、器件、通信计算、精密测量等基础前沿研究，推动量子技术实用化、规模化、产业化发展。

如今，走进量子反常霍尔效应团队的实验室，似乎是踏入了科幻的世界，管道错综复杂。银白锡箔包裹的不锈钢腔体处于超高真空环境中，其中正在利用分子束外延技术制备薄膜，这些薄膜通电后即可测量。样品制备、测量、分析……一切都井井有条。

一项新的科学发现往往意味着人类对自然的认知达到了一个新的高度。薛其坤乐观期待“以量子反常霍尔效应的发现为起点，我们也期待在微观世界发现更多新的电子运动规律，未来的想象空非常大。”

“知识是有限的。想象力包围着世界，”实验室的墙上，爱因斯坦的名言每天激励着薛其坤和他的“梦之队”，不断探索着量子世界中遥不可及的地方。

量子霍尔效应

电子竞技的“交通规则”

　　一般情况下，材料中电子的运动轨迹高度无序，电子和电子、电子和杂质都会形成碰撞，进而带来发热、能耗等。在量子霍尔效应中，通过外加磁场，电子运动变得高度有序，可实现分道行驶，互不干扰，犹如形成“电子高速公路”；而在量子反常霍尔效应中，无需外加磁场，即可实现这类现象。