十年的突破与坚守——记量子反常霍尔效应的“诞生”与“成长”

1月8日上午,人民大会堂。清华大学副校长、物理系薛其坤院士走上主席台,接过了国家自然科学一等奖的获奖证书。获奖项目的名称是“量子反常霍尔效应的实验发现”,而此时,距离2013年他所领导的团队首次发现量子反常霍尔效应并将成果发布在《科学》(Science)杂志上,已经过去近6年的时间。10多年来,他们的科研生涯与量子反常霍尔效应结下了不解之缘。

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缘起

25813欧姆,是量子反常霍尔效应实现的标志。在零磁场下,当霍尔电阻跳变到约25813欧姆的量子电阻平台时,这种量子现象就称为量子反常霍尔效应。130多年前,美国物理学家霍尔先后发现霍尔效应和反常霍尔效应,如今汽车里的很多传感器都基于霍尔效应。量子霍尔效应在凝聚态物理中占据着极其重要的地位,整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的实验发现分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。量子反常霍尔效应由于其存在不需要外加磁场,因此比此前发现的量子霍尔效应在应用方面要方便得多,从实验上实现量子反常霍尔效应,成为凝聚态物理学家关注的焦点和科学难题。

突破的契机出现于2006年,美国斯坦福大学教授、清华大学高等研究院特聘教授张首晟领导的团队成功地预言了一类叫拓扑绝缘体的材料,并在2008年与清华大学、中科院物理所的合作伙伴们一起提出了在拓扑绝缘体中引入磁性将有可能实现量子反常霍尔效应的理论。

凝聚态物理和材料科学一直是薛其坤的研究领域。拓扑绝缘体是一种神奇的材料,它的神奇之处在于内部绝缘,表面却可以导电。2008年10月15日,薛其坤在课题组例行组会上听到博士生李耀义在文献交流时介绍了拓扑绝缘体的概念以及相关研究成果。与学生们进一步讨论后,薛其坤决定开始拓扑绝缘体研究,决定通过实验来验证假说。

“尽管前期我们已经建立了很好的基础,但量子反常霍尔效应的实验条件非常苛刻,实现非常困难。”研究团队成员、清华大学物理系何珂教授介绍,量子反常霍尔效应能够出现的材料需要同时满足三个条件:材料的电子结构必须具有独特的拓扑特性;材料必须具有长程铁磁序;材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献。

实现条件苛刻,但其未来应用的潜力却很大。研究团队介绍,量子反常霍尔效应在低能耗的电子元器件应用领域可能发挥重要作用。目前如二极管、导线等电子元器件因为通电流、发热,一部分电阻耗费的能量会转化为热量,但在呈现量子反常霍尔效应的材料中,电子可以像地铁一样沿着一条通道运动,不会发热和损耗能量。

量子反常霍尔效应实验中,研究团队分成两组,一组专门负责生长出符合实验条件的样品,另一组负责测量样品的性质和物理效应。高质量的材料是实现量子反常霍尔效应的关键,薛其坤亲自担任样品生长的总负责,并安排马旭村教授和何珂教授带领几位研究生具体进行,测量工作则由物理系王亚愚教授负责。

“当时没有想过能不能成功,就想要试一试。”那时,马旭村研究组的何珂才刚刚回国参加工作,王亚愚的输运实验室也刚刚搭建调试完毕,两个年轻人就在兴奋、忐忑以及对未来的憧憬中开始了实验。

困顿

“理论物理学家预言的一个假说,往往需要实验物理学家长时间的实验去验证。”王亚愚说。在研究团队的眼里,发现量子反常霍尔效应的过程是一个遇到困难,不断克服困难的“升级打怪”的过程。

团队的实验室仿佛一个科幻世界,复杂的管线连接银白色锡纸裹着的不锈钢腔体,就在这些金属腔体中,原子飞行、凝聚、慢慢形成具有特殊性质的物质。这些仪器被称为分子束外延,内部处于接近月球表面的超高真空状态。进入实验室的人需要非常小心,避免碰到工作中的仪器,否则有可能会让他们几天的工作前功尽弃。

“实验得非常谨慎。”本科毕业后选择直博的冯硝进实验室后学了一年操作,“因为仪器很复杂”,冯硝说,仪器上的一个小配件碰坏了,都有可能导致整个仪器瘫痪,如果损坏的零配件自己无法修复,在国内又无法买到,就需要耗费几个月时间从国外进货。

冯硝当时和师兄常翠祖跟随何珂负责拓扑绝缘体材料的生长。在拓扑绝缘体研究初期,薛其坤就敏锐意识到,拓扑绝缘体材料的生长动力学与自己长期从事的砷化镓研究类似。于是,他按照生长砷化镓的方法,安排现在已经调到上海交通大学的贾金锋具体带领研究生研究、建立拓扑绝缘体材料的生长动力学。

材料的生长动力学描述的是一个个原子反应后形成一个宏观晶体的过程。掌握了材料的生长动力学,才能精确控制材料生长。从1992年攻读博士学位起,薛其坤就一直从事薄膜生长动力学的系统研究,累积了20余年的经验。他曾因相关的研究两次获得国家自然科学二等奖。

在薛其坤的指导下,贾金锋带领李耀义等研究生们仅用三四个月的时间,就在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学,实现了对样品生长过程在原子水平上的精确控制,薄膜样品的质量达到了国际领先水平。“这是关键的一步,迈出了这一步,后面的工作才能顺利展开。可以说就是从建立起这类材料的生长动力学的这一天起,我们就奠定了在这项研究中的领先地位。”薛其坤强调。随后,他又部署陈曦带领张童、程鹏等研究了拓扑绝缘体薄膜的若干量子特性,结果与理论符合的出奇好,这进一步增强了他们团队的信心。

此后两年多,在常翠祖、张金松、冯硝等的努力下,研究不断取得阶段性进展:

2010年,完成对1纳米到6纳米(头发丝粗细的万分之一)厚度薄膜的生长和输运测量,得到系统的结果,从而使准二维拓扑绝缘体的制备和输运测量成为可能;

2011年,实现对拓扑绝缘体能带结构的精密调控,使其成为真正的绝缘体,去除了体内电子对输运性质的影响;

2011年底,在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性,并利用外加栅极电压对其电子结构进行原位精密调控。

但此后,研究工作陷入了停滞不前的状态……

“从理论来看,当时我们能想到的所有问题似乎都解决了,但是实验结果离最终的成功还非常遥远。”回忆起2012年初最困难的时光,何珂说,那段时间大家都很焦虑,压力很大,“因为研究时间比较长,付出了很多努力,非常担心研究就此停滞不前”。

“后来发现即使满足了量子反常霍尔效应发生材料的三个条件,但材料的各个参数需要在微妙的平衡下,才有可能出现量子反常霍尔效应。”冯硝解释,实验有很多参数,不同参数间排列组合会产生无数可能,最后就沉溺于这些可能性的探索中,甚至当实验结果不符预期时,也很难判断究竟是哪些地方存在问题。

“科学发现可以是偶然的,但是为科学发现作出准备是必然的。”薛其坤看到了这一切,把大家召集在一起,一番热情洋溢的讲话后,一位博士生形容自己“浑身发热”、干劲十足。薛其坤心里非常笃定,要想完成科学规律的发现,那就得在严谨、重复的基础上努力。

突破

突破来源于一次偶然的尝试。

以往的实验中,研究团队担心几纳米厚的拓扑绝缘体材料被破坏,所以会设置一个衬底和一个保护层,并不断优化。“优化完衬底后就有一个明显提升,但后来又到了平台期。”感觉自己无路可走的冯硝决定反其道而行之,看看去除材料保护层会怎样,没想到这样反而获得了显示量子反常霍尔效应迹象的样品。

2012年10月12日,周五傍晚,大家的邮箱里收到了团队成员郭明华发来的刚测量好的数据。这个样品的霍尔电阻达到了17000欧姆附近,而纵向电阻出现了小小的下降。这小小的下降很有可能就是量子反常霍尔效应边缘态的贡献。常翠祖注意到这一点,向薛老师发信息汇报了情况。

之所以说只是迹象,是因为当时的实验结果并未达到25813欧姆的标准。“但这对实验来讲已经是一个重大突破,之前从来没有过类似的发现。”王亚愚解释道。

“当时心里很忐忑,这是不是真的?”冯硝说,“大家都是压着那种兴奋,小心翼翼地想一定要重复出来,证明它是真的。”

薛其坤形容自己当时的情绪是兴奋和担心交织,“全世界很多顶尖实验室都在攻克这个实验,我们不知道谁在做,也不知道他们什么时候能做出来”。但很快,他就冷静下来,“这些年大家的努力奋斗一定会有回报,天道酬勤。”

在接下来的一个半月他们在紧张焦灼中共同奋战,进一步提高样品质量,并与物理所吕力研究组的通力合作,对样品进行了30毫开温度下的极低温输运测量,终于在12月6号观测到了完美的量子化平台——量子反常霍尔效应被发现了!在那天,薛其坤特意带了两瓶香槟酒和团队成员庆祝。

2013年3月,成果顺利发表在《科学》杂志上。诺贝尔物理学奖得主杨振宁先生兴奋地表示:“这是第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文。”此后,媒体的密集报道让社会在短时间内了解到“不明觉厉”的量子反常霍尔效应,薛其坤的名字也被越来越多的人知晓。

薛其坤多次强调,这次的成功是几个优秀实验团队紧密高效合作的一个结果,同时也是实验团队与理论团队紧密合作的结果。在探索量子反常霍尔效应的过程中,除了前面提到的张首晟,他们与中科院物理所的方忠、戴希,与清华大学的朱邦芬、段文晖等理论物理学家都有过很多有益的讨论和合作。正像杨振宁先生所指出的,这个成功与我们中华传统的人文关系有密切的关系。

收获

在量子反常霍尔效应实验结果刚发现的时候,国际上出现了一些质疑的声音。“但我们是很有自信的,我们是“专业”物理学家,有深厚的积累和过硬的实验技术,学生也都经过严谨的训练,所以我们的每一个数据都是可重复的。”薛其坤说。

2014年至2016年,东京大学、加州大学、麻省理工学院、普林斯顿大学先后重复验证这一发现,不同领域的权威学者们均将这一发现作为学术引用,在瑞典皇家科学院编写的《2016年诺贝尔物理奖科学背景介绍》中,将此发现列为拓扑物质领域代表性的实验突破,得到了最权威评价机构的高度认可。

各项荣誉纷至沓来:薛其坤在2014年荣获求是杰出科学家奖、何梁何利科学与技术成就奖,2016年获首届“未来科学大奖”。2018年还获得国际上的一个纳米科学成就奖,前面八届的获奖者包括诺贝尔物理奖获得者Albert Fert、碳纳米管的发现者饭岛澄男等著名科学家。团队成员马旭村获中国青年女科学家奖,王亚愚获中国物理学会“黄昆物理奖”,何珂获日本“仁科芳雄亚洲奖”……

在团队经历了专业、严谨、求实的学术训练和作风熏陶的学生们,也得到广泛的认可:常翠祖在2013年到美国麻省理工学院从事博士后研究,现在美国宾夕法尼亚州立大学物理学院任助理教授,并在2018年获得了美国斯隆研究奖;张金松和冯硝毕业后赴美国斯坦福大学进行博士后研究,现在分别在清华大学物理系和清华大学-北京市未来芯片技术高精尖创新中心工作,他们两个均入选了国家青年千人计划。

研究过程予以了他们很多回馈,但真正予以自己收获的还是他们自己。在很多人眼中,薛其坤是“知识改变命运”的代名词,出生成长于山东沂蒙山区革命根据地,为到北京读研究生经历两次失利,却凭借从上午7点到晚上11点泡在实验室的生活模式和严谨的作风攻克了一个个物理难题。

冯硝也说,自己不算是聪明人,也曾面临过纠结,最终决定从事物理研究是因为“我抱有信心,我所看到的就是真实的东西”。而决定从事物理的那一天,这个出生于黑龙江一个小农场的女孩儿并没能想到自己能参与到一个重大发现中。

再出发

“Now this is not the end. It is not even the beginning of the end. But it is, perhaps, the end of the beginning.”(取得胜利不是过程的终结,甚至连终结的开始都不是。相反,它很可能一个新起点的开始)王亚愚引用了丘吉尔的这番话来描述他们的研究过程。量子反常霍尔效应的发现,于他们的研究而言,仅是一个开始,还有更高的山峰等着他们攀登。

薛其坤说,科学家的研究是为了建立原理和方法,为了以后研究更加成熟,为了和产业工业结合。因此,如何降低量子反常霍尔效应实现的苛刻条件要求,成为研究团队正在攀登的山峰。

几年来,这支队伍一路攀登,一路收获。2015年,团队实现量子反常霍尔效应零电导平台的首次观测;2014、2015年和2017年,团队在磁性掺杂拓扑绝缘体的磁性和输运性质的调控方面取得多次突破……

2018年,团队又实现两个重要进展——大幅提高了量子反常霍尔效应观测温度,首次实现量子反常霍尔效应多层结构。

何珂说,目前实现量子反常霍尔效应的温度极低,这不仅阻碍了进一步研究,也让其走向实际应用带来挑战。“原来的温度是比绝对零度高0.03度,现在是比绝对零度高0.3度,温度提高了10倍”。

而量子反常霍尔效应多层结构是指,把实现量子反常霍尔效应的一层薄膜,像搭砖块儿一样“垒砌”起来。王亚愚解释说,这就像以前只有一条电子运行的高速公路,现在要建设立交桥,从而增强材料的导电能力。

“这个听起来很简单,但实验上有相当大的难度。”何珂介绍,这一项目对技术的要求非常高,实现一个量子反常霍尔效应层已经非常困难了,形成一个多层结构,同时各层之间还能不受彼此干扰地正常运转就难上加难。“尽管很难,但这为探索更多新奇的拓扑量子物态打下一个非常好的基础。”何珂说。

如今,研究团队每天仍然花费大量的时间在实验室中,不断去生长样品、测试,他们都期待能够发现更多有趣的量子物态和量子效应。

薛其坤说,量子反常霍尔效应的实验发现是国家改革开放40年来,在国民经济发展和社会进步的大力支持下,中国科学家冲击国际科学技术难题的重要的例子。“改革开放为我们中国科学走向世界奠定了非常好的基础,给中国科学家造就了一个史无前例的黄金时代。”他呼吁,中国人要有学术自信,要敢于去挑战重大科学难题。解决重大科学难题,解决核心技术难题,是科技工作者报效祖国、回报人民最好的答卷,也是中国科学真正走向世界中心的关键标志。

从叶企孙先生第一次实现对普朗克常数的测定,到发现量子反常霍尔效应,已经过去近百年的时间。百年间,变化的是日新月异的科技水平,不变的,是科学家们追崇始终不变的“初心”,这就像量子反常霍尔效应与普朗克常数永恒不变的线性关系那样。

“物格而后知至,知至而后意诚,意诚而后心正,心正而后身修,身修而后家齐,家齐而后国治,国治而后天下平。”2018年5月,薛其坤作为嘉宾登上《朗读者》的舞台,并且朗诵了《大学》。“我要把它献给无数为中国物理奠基的叶企孙先生和诸位前辈们。”薛其坤说。

文字及视频来源:“清华大学”公众号

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