“這是從中國實(shí)驗(yàn)室里，第一次發(fā)表下來了諾貝爾化學(xué)獎級別的論文。”諾貝爾化學(xué)獎得主楊振寧院長高度評價了這一重大發(fā)覺。
這顆科學(xué)皇冠上的明珠，是怎樣被中國科學(xué)家們列入囊中的？
從“正常”到“反常”
霍爾效應(yīng)是一種須要外加磁場的電磁效應(yīng)，由德國化學(xué)學(xué)家霍爾于1879年發(fā)覺，次年人們就發(fā)覺了無需外加磁場的反常霍爾效應(yīng)。
量子世界中也有霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)。不過，在微觀的量子世界里，反常霍爾效應(yīng)的發(fā)覺就遠(yuǎn)沒有宏觀世界中這么順利了。
早在1980年，整數(shù)量子霍爾效應(yīng)就被發(fā)覺，三年后，人們又發(fā)覺了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，發(fā)覺它們的科學(xué)家已分別獲得1985年和1998年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎。這兩種“正常”的霍爾效應(yīng)，其形成須要強(qiáng)達(dá)10萬高斯的外加磁場，而月球上的自然磁場硬度不過才0.5高斯。
常態(tài)下，芯片中的電子運(yùn)動零亂無章，常常互相碰撞，發(fā)生熱量耗損，讓計(jì)算機(jī)芯片的速率無法進(jìn)一步增強(qiáng)。而量子霍爾態(tài)下，電子各行其道，永不混雜，遇見雜質(zhì)，手動繞行。因?yàn)檫\(yùn)行中電子幾乎不碰撞，如用量子霍爾效應(yīng)設(shè)計(jì)電子線路，電子產(chǎn)品就不會發(fā)熱，煤耗極低。“這相當(dāng)于混亂的農(nóng)貿(mào)市場和順暢的高速道路的區(qū)別。”清華學(xué)院院長薛其坤教授表示，量子霍爾效應(yīng)在開啟下一輪信息革命上會有很大作用。但過去發(fā)覺的整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，需外加一人高電冰柜這么大的一塊磁極，以形成外加磁場，基本不實(shí)用。
人們猜測，量子世界中應(yīng)當(dāng)也有無需外加磁場的“反常”霍爾效應(yīng)存在。但怎么觀測到這個“反常”的奇跡，卻成為一個世紀(jì)困局。
“發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，須要解決兩個問題。”中科院化學(xué)所研究員方忠說，“一是反常霍爾效應(yīng)能夠量子化？二是怎樣實(shí)現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)的量子化？”
方忠等人2003年發(fā)表于《科學(xué)》雜志的論文回答了第一個問題，她們通過詳盡估算表明：在許多材料中反常霍爾效應(yīng)主要是體系的電子結(jié)構(gòu)本身造成的，而不是雜質(zhì)效應(yīng)。這說明在特定的條件下反常霍爾效應(yīng)就能實(shí)現(xiàn)量子化。
怎樣實(shí)現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)？這須要材料本身既具備磁性又是絕緣體。因?yàn)榇艠O一般為導(dǎo)體，這是一個自相矛盾的要求。好在不久以后，一種新材料——拓?fù)浣^緣體的出現(xiàn)，讓這個要求有了實(shí)現(xiàn)的可能。
拓?fù)浣^緣體是一種量子物態(tài)的新型固體材料：內(nèi)部是絕緣體,界面則是容許電荷聯(lián)通的導(dǎo)體。給絕緣體表面鍍上一層金屬，其實(shí)也能實(shí)現(xiàn)這些功能。但是，鍍銀層銹蝕后，絕緣體就不能導(dǎo)電了。拓?fù)浣^緣體的神奇之處卻在于，即便磨掉表層，它也能讓新漏出來的外層彰顯出表層特質(zhì)，總是保持界面導(dǎo)電且內(nèi)部絕緣的性質(zhì)不變。
2006年，耶魯學(xué)院院長張首晟提出拓?fù)浣^緣體理論的材料實(shí)現(xiàn)方案；次年,這個預(yù)言在他與美國維爾茨堡學(xué)院的實(shí)驗(yàn)中得到否認(rèn)。拓?fù)浣^緣體的發(fā)覺導(dǎo)致了科學(xué)界的震驚和研究風(fēng)潮。張首晟在拓?fù)浣^緣體發(fā)覺后不久，就通過與中科院化學(xué)所和北大學(xué)院的合作，把拓?fù)浣^緣體研究帶到了中國。2008年張首晟研究組率先提出，假如在拓?fù)浣^緣體薄膜如HgTe中引入鐵磁性，可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)界期盼已久的量子反常霍爾效應(yīng)。
怎樣在具體的拓?fù)浣^緣體材料中實(shí)現(xiàn)這一方案，成為接出來的關(guān)鍵問題。為攻破這一困局，張首晟領(lǐng)導(dǎo)的哈佛學(xué)院研究組和中科院化學(xué)所方忠、戴希領(lǐng)導(dǎo)的研究組開始了幾年的合作。在經(jīng)過了幾次嘗試之后，2010年，戴希、方忠等人與張首晟合作，在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文強(qiáng)調(diào)，在碲化鉍（）、硒化鉍（）中摻入鉻（Cr）、鐵（Fe）后，將自發(fā)產(chǎn)生鐵磁態(tài)，同時能夠保持體系本身的拓?fù)涮攸c(diǎn)，這將成為實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的最佳體系。
一千個和三個
這個理論方案被《科學(xué)》審稿人評價為特別具有“挑逗性”，意即誘惑性很強(qiáng)，但實(shí)現(xiàn)難度也高到離譜。“當(dāng)時認(rèn)為理論工作被接受后可以歇口氣，由于我也不能肯定有生之年能夠看見它的實(shí)現(xiàn)。”戴希說。
論文發(fā)表后，德、日、美等國的相關(guān)科研小組也阻擋不住誘惑，開始了對這個方案的實(shí)驗(yàn)研究。
就理論而言，這是一個美妙的議案；對實(shí)驗(yàn)來說，卻有非常嚴(yán)苛的要求。
實(shí)驗(yàn)要求作出高含量的單晶硅材料，一百萬個原子中最多只能容許出現(xiàn)一個雜質(zhì)。實(shí)驗(yàn)要求作出非常平整的拓?fù)浣^緣體，一納米等于百萬分之一毫米，材料只能是5納米厚，表面凸凹1納米都不行。通常而言，包含2種元素的拓?fù)浣^緣體就很難做到這些含量和精度了，這個實(shí)驗(yàn)最終成功所用的材料包含鉻、鉍、銻、碲4種元素，所以其難度是翻番再翻番。
其實(shí)，這樣的實(shí)驗(yàn)須要極度精密的材料生長控制技術(shù)。好在我們有現(xiàn)成的技術(shù)儲備。2002年初，薛其坤等人曾開創(chuàng)過一個融合三種實(shí)驗(yàn)設(shè)備的聯(lián)合系統(tǒng)：用分子束外延設(shè)備將材料生長控制在原子水平，用掃描隧洞顯微鏡讓形貌標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到原子水平，用角區(qū)分光電子能譜讓能帶結(jié)構(gòu)達(dá)到原子水平。這些聯(lián)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展和熟練運(yùn)用，對拓?fù)浣^緣體材料的精密控制起到重要作用。
有了神兵神器，還要堅(jiān)苦卓著的努力。對實(shí)驗(yàn)化學(xué)學(xué)家來說，材料的生長制備與其說是一種技術(shù)，毋寧說是一種藝術(shù)。中科院化學(xué)所副研究員何珂說，同樣的材料，換臺機(jī)器、換個人就可能做不下來，十分考驗(yàn)人的實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平與耐心。“四種元素在一起，要很耐心地配比，須要特別悉心的工作。按照檢測結(jié)果推測調(diào)整配方，有時還要憑直覺。臺灣、美國的研究團(tuán)隊(duì)跟我們同期開始這個研究，現(xiàn)今研究數(shù)據(jù)跟我們差遠(yuǎn)了，主要就差在材料生長上。”
薛其坤見到最終成功的材料的復(fù)雜分子式時就倒吸了一口涼氣：“我做了20多年的分子束生長，見到如此復(fù)雜的分子式我也不敢說能弄成。”
為作出這個材料，從2009年起，她們摸索了整整4年。“理論工作預(yù)言了三種材料，具體哪種能成功，我們也不曉得，只能一樣樣試。”中科院研究員馬旭村說，實(shí)驗(yàn)組總共做了超過一千次磁性參雜的樣品檢測，在生長階段就失敗而沒拿去檢測的樣品，則根本沒人統(tǒng)計(jì)過。“有多個設(shè)備同時進(jìn)行，順利的時侯一周能作出5塊樣品，不順利的時侯一個月也做不下來一塊。”
研究者們先使用乘法，把所有手段一個一個加進(jìn)去，讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷接近最終目標(biāo)。但到了2012年時，她們把所有手段用完了，卻距離最終目標(biāo)還差一截。實(shí)驗(yàn)停滯了，你們一起開會討論，決定開始用加法，把可能出現(xiàn)問題的地方一個個排除掉，最后發(fā)覺了覆蓋層誘因。
何珂說：“原來我們總要蓋一個保護(hù)層，把拓?fù)浣^緣體薄膜保護(hù)上去。采用加法后，我們發(fā)覺了三塊療效最好的樣品，剖析了一下，三塊樣品都沒覆蓋層。”
不蓋，原本是想做個比較，卻讓研究者發(fā)覺了慣性思維的誤區(qū)。一千多塊送去測試的樣品中，這三塊“裸奔”的樣品成為最后的勝利者。
成功在絕對零度
量子反常霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的成功標(biāo)志是，在零磁場中，讓拓?fù)浣^緣體材料的霍爾內(nèi)阻跳變到25800歐姆的量子值。
復(fù)旦學(xué)院的王亞愚實(shí)驗(yàn)組就負(fù)責(zé)這項(xiàng)檢測和剖析工作。
最開始她們壓根測不到阻值。“2010年2月-4月根本測不到內(nèi)阻，樣品十分導(dǎo)電。”
之后她們測到了一點(diǎn)點(diǎn)內(nèi)阻。“2010年5月，測到大于10歐姆的內(nèi)阻。”
接著是幾個月停滯后的一點(diǎn)小進(jìn)步。“2010年10月，40歐姆；11月，80歐姆。”
隨后是幾乎讓人絕望的兩次停滯。“過程很厭煩，非常有將近一年時間在停滯狀態(tài)，做數(shù)據(jù)檢測的中學(xué)生每次測的數(shù)據(jù)都一樣，快崩潰了。”
改變樣品配方，下調(diào)實(shí)驗(yàn)體溫。2011年6月和2012年3月各出現(xiàn)一次突破，前一次內(nèi)阻達(dá)到數(shù)千歐姆，后一次內(nèi)阻達(dá)到1.5萬歐姆。
雖然勝利在望，卻又停滯不前。這時，加法發(fā)生了作用，三個“裸奔”樣品得到更好的結(jié)果——2012年10月，1.7萬歐姆。
她們發(fā)覺，高溫下得到的數(shù)據(jù)更佳，但王亞愚實(shí)驗(yàn)組的測量設(shè)備已調(diào)到極限——絕對零度是負(fù)273.15℃，這套設(shè)備只能讓樣品的電子濕度增加到1.5k，也就是比絕對零度高1.5攝氏度的位置。因?yàn)殡娮拥男再|(zhì)非常活躍，讓電子濕度增加反常霍爾效應(yīng)，是比讓整個材料濕度增加要困難得多的事情。
于是，中科院化學(xué)所的呂力實(shí)驗(yàn)組在最后階段加入進(jìn)來。她們實(shí)驗(yàn)室自己組裝的核絕熱去磁與電子冷卻系統(tǒng)，能將電子濕度增加到4mk（比絕對零度高0.004攝氏度），這是國際上的最好紀(jì)錄，日裔諾貝爾化學(xué)獎獲得者崔琦就曾將樣品領(lǐng)到這兒來檢測。
呂力實(shí)驗(yàn)組停下自己手頭的其他實(shí)驗(yàn)，開始檢查拓?fù)浣^緣體的量子反常霍爾效應(yīng)。2012年10月，90mk下，測到內(nèi)阻為2.5萬歐姆；12月，30mk（比絕對零度高0.03攝氏度）下，測到內(nèi)阻為25800歐姆。
大功告成。
“數(shù)據(jù)完美得我們都不敢相信。”薛其坤說，假如以時間為縱軸，進(jìn)展為豎軸，把實(shí)驗(yàn)中的突破點(diǎn)和停滯期連成線，可以見到顯著的一級一級的臺階，如同量子霍爾效應(yīng)的圖示一樣。“這是一個美麗的巧合。”
自由探求的碩果
這是一個集體攻關(guān)的項(xiàng)目。
在3月14日發(fā)表的論文中，有23名作者。包括四個實(shí)驗(yàn)組中參與此項(xiàng)研究的師生，也包括此前做出過理論預(yù)言的張首晟等理論化學(xué)學(xué)家。
“團(tuán)隊(duì)中有世界上最好的中學(xué)生，我們跟中學(xué)生一塊成長。”清華學(xué)院院長王亞愚感嘆地說，“工作最終成功，是由于中學(xué)生們工作十分勤勞，思維沒有禁錮，能激發(fā)出讓老師驚喜的看法，并一點(diǎn)點(diǎn)把看法實(shí)現(xiàn)。”
“我們這個團(tuán)隊(duì)像個串聯(lián)電路，取走任何一個內(nèi)阻，電路就不通了。每位人都是不可或缺的。”戴希的比喻得到了每一個實(shí)驗(yàn)組成員的贊成。
薛其坤實(shí)驗(yàn)組的豐富經(jīng)驗(yàn)、馬旭村實(shí)驗(yàn)組的高超手藝、王亞愚實(shí)驗(yàn)組的柳暗花明、呂力實(shí)驗(yàn)組的極限高溫，都是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵誘因。少了哪一個，量子反常霍爾效應(yīng)這顆明珠，都不會那么快落到中國科學(xué)家的囊中。
這也是一個自由探求的項(xiàng)目。
與此前這些獲得重大突破的項(xiàng)目不同，這一次，科學(xué)家們并沒有拿“量子反常霍爾效應(yīng)”作為一個明晰的重大項(xiàng)目來補(bǔ)報課題、申請經(jīng)費(fèi)、建一個大項(xiàng)目組，而是在各自的研究中，由于對量子反常霍爾效應(yīng)的興趣，自然產(chǎn)生了合作團(tuán)隊(duì)。復(fù)旦學(xué)院和中科院化學(xué)所在地理上比鄰反常霍爾效應(yīng)，集中了這個領(lǐng)域中各個方向的頂級人才，實(shí)驗(yàn)合作可以做到親如一家，個人發(fā)展又可以各有注重，研究者們抬下腰就可以聚到一起開會，有哪些問題和困難隨時都可以集思廣益。
這樣的自由探求讓科學(xué)家們享受到科研本身的樂趣，并將這些樂趣作為科研工作的最大動力。正如呂力所說：“很多科學(xué)研究都是十分難的，我們?nèi)斓酵砀约狠^勁。科研有挑戰(zhàn)性，越難越有成就感。”
獲得巨大成功后，這些探求還將繼續(xù)。由于我們只甩掉了磁場，卻沒有甩掉高溫。
因?yàn)檫@次發(fā)覺的量子反常霍爾效應(yīng)是在接近絕對零度的極低氣溫下形成，這些實(shí)驗(yàn)室成果離實(shí)際應(yīng)用還相距較遠(yuǎn)。要將量子反常霍爾效應(yīng)用于個人筆記本，須要找尋更實(shí)惠的材料，并在常溫下實(shí)現(xiàn)這一效應(yīng)。因而，新的材料，和更高一些的實(shí)驗(yàn)氣溫，是實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們下一步即將努力的方向。
對于這一點(diǎn)，理論化學(xué)學(xué)家們似乎更為豁達(dá)。
“絕緣體可以在常溫下出現(xiàn)，磁極可以在常溫下出現(xiàn)，沒理由拓?fù)浣^緣體一定要在極高溫下出現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)在理論上先預(yù)言，找尋方向。”張首晟斷定，“溫度提升的過程肯定會比超導(dǎo)容易。要追求的下一個目標(biāo)，是在溫度下實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)。這可能須要更換材料配方，可能須要較重的元素。”
或許，這一場量子世界“反常”奇跡的追蹤還遠(yuǎn)未結(jié)束。
鏈接
在匯聚態(tài)化學(xué)的研究中，量子霍爾效應(yīng)搶占著十分重要的地位，此前在這方面的重要工作包括：
整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（1980年發(fā)覺，1985年諾貝爾化學(xué)獎）；
分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)（1982年發(fā)覺，1998年諾貝爾化學(xué)獎）；
石墨烯中的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（2005年發(fā)覺，2010年諾貝爾化學(xué)獎）；
量子化載流子霍爾效應(yīng)（2007年發(fā)覺，2010年法國數(shù)學(xué)獎，2012年日本數(shù)學(xué)學(xué)會巴克利獎）。
量子反常霍爾效應(yīng)是在此領(lǐng)域的又一個重大進(jìn)展，有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個重要成員。