圖為薛其坤院士在實(shí)驗(yàn)室（新華網(wǎng)發(fā)布）
在1月8日舉行的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，薛其坤院士領(lǐng)銜的清華大學(xué)與中科院物理研究所實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)完成的“量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)”中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)副校長(zhǎng)，榮獲2018年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
量子反常霍爾效應(yīng)的首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是近年來(lái)物理學(xué)界最重要的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展之一。 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者楊振寧評(píng)價(jià)這是“中國(guó)實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的第一篇諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的物理論文”。
巨大的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)成就非凡意義
量子霍爾效應(yīng)是現(xiàn)代物理學(xué)的重要研究領(lǐng)域，其相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)已四次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。
與宏觀世界不同霍爾效應(yīng)高中物理，微觀世界的運(yùn)行受量子力學(xué)定律的支配。 能夠在宏觀尺度上展現(xiàn)量子力學(xué)效應(yīng)的量子材料受到科學(xué)家們的垂涎。 然而，從真實(shí)材料中發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。
薛其坤表示，要觀測(cè)量子反常霍爾效應(yīng)，材料的性能需要同時(shí)滿足三個(gè)苛刻的條件：絕緣、拓?fù)浜痛判浴?但在實(shí)際材料中，要達(dá)到上述任何一點(diǎn)都非常困難，更不用說(shuō)同時(shí)滿足這三點(diǎn)了。 “這就像要求一個(gè)人同時(shí)具備短跑運(yùn)動(dòng)員的速度、籃球運(yùn)動(dòng)員的身高、體操運(yùn)動(dòng)員的靈巧程度。” 用薛其坤的話說(shuō)，這是一個(gè)“自相矛盾”的要求。
幸運(yùn)的是，2008年，薛其坤團(tuán)隊(duì)抓住拓?fù)浣^緣體新領(lǐng)域的機(jī)遇，在國(guó)際上率先建立了拓?fù)浣^緣體薄膜的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制，并利用掃描隧道顯微鏡揭示了拓?fù)浣^緣體薄膜的拓?fù)浔Ｗo(hù)和清晰度。拓?fù)浣^緣體的表面狀態(tài)。 道量子化的獨(dú)特性質(zhì)。
2009年，薛其坤帶領(lǐng)的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。 2012年底，團(tuán)隊(duì)首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到量子反常霍爾效應(yīng)。 距離1880年美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)133年后，反常霍爾效應(yīng)終于實(shí)現(xiàn)了量子化。 為了實(shí)現(xiàn)這一基礎(chǔ)科學(xué)重大突破，薛其坤和他的團(tuán)隊(duì)花了整整四年的時(shí)間。
什么是量子反常霍爾效應(yīng)？ 薛其坤形象地說(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)可以改變電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，使它們像高速公路上行駛的汽車(chē)一樣有序。
該研究成果將推動(dòng)新一代低能耗晶體管和電子器件的發(fā)展，以解決計(jì)算機(jī)發(fā)熱和能耗等問(wèn)題。 對(duì)于普通大眾來(lái)說(shuō)，最直接的影響就是可以擺脫手機(jī)或電腦發(fā)熱、耗電快、運(yùn)行慢等問(wèn)題。
團(tuán)隊(duì)合作只是為了征服一個(gè)不確定的目標(biāo)
重大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是對(duì)人類智慧的巨大挑戰(zhàn)，這對(duì)研究團(tuán)隊(duì)的科研素養(yǎng)和積累以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平提出了非常高的要求。
每當(dāng)有人稱贊量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)有多么了不起，薛其坤就會(huì)回答：“這是我們團(tuán)隊(duì)精誠(chéng)合作、共同研究的共同成果，是中國(guó)科學(xué)家的集體榮譽(yù)。” 在他看來(lái)，“團(tuán)隊(duì)合作、攻堅(jiān)克難”的創(chuàng)新模式是脫穎而出的重要因素。
薛其坤稱他的團(tuán)隊(duì)是“世界上最有戰(zhàn)斗力的團(tuán)隊(duì)”，因?yàn)檫@些科學(xué)家都是各自領(lǐng)域頂尖的“專業(yè)人士”。 現(xiàn)在，大家為了一個(gè)共同的、不確定的目標(biāo)，從孤軍奮戰(zhàn)走到了一起。
“針對(duì)同一重大科學(xué)目標(biāo)，不同專長(zhǎng)但單位相對(duì)獨(dú)立的科研團(tuán)隊(duì)成員形成了高效的合作，其深度和持久性在國(guó)內(nèi)外都是罕見(jiàn)的。” 薛其坤得意的說(shuō)道。
從2009年開(kāi)始，在薛其坤的帶領(lǐng)下，這個(gè)團(tuán)隊(duì)在近4年的時(shí)間里不斷壯大，測(cè)量了1000多個(gè)樣本。 如今，這支誕生于中國(guó)的優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)仍在為量子反常霍爾效應(yīng)的應(yīng)用前景而奮斗。
薛其坤表示，任何現(xiàn)象從原理發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用，都需要不同領(lǐng)域科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)界的共同努力。 他和他的團(tuán)隊(duì)愿意與更多的人合作霍爾效應(yīng)高中物理，努力將這一領(lǐng)域發(fā)揚(yáng)光大，不斷推動(dòng)其向應(yīng)用方向發(fā)展。 。
基礎(chǔ)研究的開(kāi)展離不開(kāi)國(guó)家的大力支持
談到做這個(gè)項(xiàng)目最大的挑戰(zhàn)，薛其坤認(rèn)為，不是來(lái)自技術(shù)層面，而是來(lái)自目標(biāo)的不確定性。 “我們不知道走這條路是否正確。”
在四年的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)成員通過(guò)成長(zhǎng)、衡量、反饋、調(diào)整，力求每一步都做到盡善盡美。 支撐實(shí)驗(yàn)一步步進(jìn)行的是精密的測(cè)試系統(tǒng)，它是實(shí)驗(yàn)水平和科研能力的集中體現(xiàn)。
圖為薛其坤院士在實(shí)驗(yàn)室（新華網(wǎng)發(fā)布）
薛其坤團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室位于清華大學(xué)一棟普通的實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)。 走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，映入眼簾的是密密麻麻的科研儀器。 其中，有五套世界獨(dú)一無(wú)二的精密實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 這些儀器已經(jīng)達(dá)到了實(shí)驗(yàn)技術(shù)的最好水平。
為保證薛其坤團(tuán)隊(duì)的研究進(jìn)展，清華大學(xué)通過(guò)多種方式營(yíng)造最佳的工作環(huán)境。 “這很大程度上得益于中國(guó)過(guò)去20年對(duì)基礎(chǔ)研究的重視和大量投入。” 薛其坤說(shuō)道。
量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)堪稱我國(guó)基礎(chǔ)研究的重大成就。 薛其坤認(rèn)為，日益強(qiáng)大的國(guó)力、良好完善的科技政策、科學(xué)系統(tǒng)的科技規(guī)劃、鼓舞人心的創(chuàng)新氛圍是基礎(chǔ)和保證。
建立新的科學(xué)理論、發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)效應(yīng)和科學(xué)規(guī)律是基礎(chǔ)研究皇冠上的明珠。 摘取這顆明珠，一直是薛其坤團(tuán)隊(duì)在科研道路上的動(dòng)力和使命。 量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是薛其坤團(tuán)隊(duì)為人類科學(xué)知識(shí)寶庫(kù)貢獻(xiàn)的一顆璀璨明珠。
“為人類發(fā)展和科學(xué)進(jìn)步做出貢獻(xiàn)也是國(guó)家強(qiáng)大的標(biāo)志。” 薛其坤表示，“科技應(yīng)用無(wú)國(guó)界，中國(guó)科學(xué)家應(yīng)該為構(gòu)建人類命運(yùn)共同體、為世界科學(xué)進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。” （凌繼偉）
