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攻克量子世界的制高点

——我国科学家发现量子反常霍尔效应背后的故事

来源:中国教育报 2013-4-11 唐景莉

  3月18日,在规模宏大的美国物理学会年会上,清华大学薛其坤院士成了焦点人物——很多华人科学家和相熟的外国学者纷纷走到他面前向他表示祝贺。这些都源于今年3月15日《科学》(Science)杂志在线发表文章,宣布由薛其坤院士领衔的清华大学物理系和中科院物理所联合组成的实验团队,从实验上首次发现量子反常霍尔效应,这意味着量子霍尔效应物理领域一个期待已久的重要现象已经被中国科学家率先观测到。

  在凝聚态物理中,量子霍尔效应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。这次中国科学家首次在实验上观测到的量子反常霍尔效应,被认为可能是量子霍尔效应家族最后一个有待实验发现的成员。为了实现这一基础科学领域的重大突破,薛其坤院士和他的团队整整花了4年时间。

以科学家敏锐的眼光锁定至高目标

  物理在人类的生活中无处不在,而重大的实验物理发现可以让人类认识和掌握自然界的规律,从而推动人类社会的进步。

  2008年10月15日,薛其坤院士清楚地记得这个日子。在课题组例行的组会上,学生在做文献交流时介绍了拓扑绝缘体的概念以及相关研究成果。从此,“拓扑绝缘体”走进了薛其坤院士的视野。

  拓扑绝缘体这个凝聚态物理中的新领域是由斯坦福大学的张首晟教授与来自美国和德国的另外两位科学家共同开创的。张首晟教授和薛其坤院士深厚的友谊和紧密的交流使他们意识到,这是一个非常值得在中国进行深入探究的领域。从那时起,他们就展开了对拓扑绝缘体中新奇量子效应的实验研究。在一年多的时间内,他们与清华大学物理系的陈曦和贾金锋教授,以及中科院物理所的马旭村研究员合作,在拓扑绝缘体的样品生长和原位电子态研究方面取得一系列举世瞩目的成果。此后,他们瞄准了更高更难的目标:在实验上实现量子反常霍尔效应,也就是零磁场中的量子霍尔效应。

  量子反常霍尔效应是一个全新的量子效应,由于其存在不需要外加磁场,因此在应用方面比此前发现的量子霍尔效应要方便得多,可以推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,解决电脑发热等问题。因此从理论研究和实验上实现量子反常霍尔效应,成为世界凝聚态物理学家关注的焦点。

  为了在激烈的国际竞争中脱颖而出,薛其坤院士对团队成员进行了合理的分工。由于高质量的材料是实现这一量子效应的关键,薛其坤亲自担任样品生长的总负责人,并指定由中科院物理所马旭村研究组的何珂带领几位研究生具体进行。反常霍尔效应测量则由清华大学物理系的王亚愚负责。当时何珂刚刚进入物理所工作,王亚愚在清华的输运实验室也刚刚搭建调试完毕。两个年轻人对于能够负责这样重大的研究课题感到非常兴奋,然而在研究中遇到的挑战也给他们带来很大的压力。

  “最开始的时候不要说量子化的反常霍尔效应,就连这些材料在离开超高真空的生长环境后,我们能否获得可靠的输运数据都没有把握。”王亚愚说。然而,正是薛其坤团队在高质量样品生长方面的深厚基础,特别是薛其坤院士本人在样品生长关键技术方面的具体指导,使得他们在建立了拓扑绝缘体生长动力学的基础上,最终克服了重重困难。

材料生长动力学成为实验成功的制胜武器

  薛其坤团队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,并长出了高质量的薄膜。从这一天起,他们就在世界上领先,并且一直将这个优势保持下去,直至最终得到完美的实验结果。

  在拓扑绝缘体研究的初期,薛其坤就敏锐地意识到,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有非常类似的地方。于是,他迅速制定了实验方案——按照生长砷化镓的方法进行实验,首先建立起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如何从一个个原子的反应最后形成一个宏观样品的过程,只有掌握了材料的生长动力学,才能精确地控制材料的生长。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,至今已经累积了20余年的经验,并已获得两项国家自然科学奖二等奖。

  在薛其坤的亲自指导下,团队仅用三四个月,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,使得薄膜样品的质量很快达到了国际领先水平。“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。”薛其坤说。

  三维拓扑绝缘体的理论预言和高质量拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学及电子态研究等系列成果在国际学术界引起了广泛的关注,并以总得票排名第一入选了“2010年度中国科学十大进展”。

  恰好在这个关键的时刻,张首晟作为“千人计划”学者受聘于清华大学,自此与薛其坤团队开始了紧密的合作研究。他们决定把研究的重点放在量子反常霍尔效应上,因为这无疑是拓扑绝缘体领域最具影响力的工作。

紧密合作追求极致通往成功之路

  虽然材料生长动力学这一关键问题得以解决,但这并不意味着接下来的工作就是一片坦途。

  然而,整个团队没有放弃,而是选择独辟蹊径,最终找到了一条现在看来非常合理的技术路线。这在很大程度上得益于样品生长和输运测量研究组的紧密合作,团队成员几乎每天都通过邮件和电话交流实验结果,每隔两三周都会进行一次充分的讨论,分析实验的所有细节,制定详尽的下一步计划。“我们这些有不同专长、不同性格、不同思路的研究人员为了一个共同的目标而努力,互相交流,互相促进,是取得成功的关键。”何珂说。

  “我们很幸运有一批优秀的研究生。”王亚愚说,“他们不仅工作勤奋,而且由于思维没有受到束缚,在研究过程中经常会提出一些让我们惊讶的奇思妙想。”实验的很多关键步骤,都是学生们在具体的工作和相互的讨论中摸索出来的。“在这个研究过程中,我们和学生是一起成长的。”王亚愚说。

  就这样,团队成员在过去的4年里共生长和测量了超过1000个样品,并通过一次次的生长、测量、反馈、调整,争取在每一步都做到极致。功夫不负有心人,一个个激动人心的成果接踵而来:

  ——2010年,他们完成了对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,得到了系统的结果,从而使得准二维拓扑绝缘体的制备和输运测量成为可能;

  ——2011年,他们实现了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,他们在准二维、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,一步一步接近奇迹出现的时刻。

见证奇迹的时刻

  2012年10月的一个晚上,薛其坤院士收到学生的短信,他们在实验中发现了量子反常霍尔效应的迹象。当晚薛其坤立即组织团队人员,设计出几套方案,部署好了下一步的实验,特别是和中科院物理所吕力研究组合作,将实验推进到接近绝对零度的极低温。

  接下来的几天里,团队成员们用“诚惶诚恐”来形容当时自己的心情。严谨的科学精神告诉他们,一次结果并不能说明问题,他们需要用不同的样品做多次重复实验。

  实验顺利地进行着,25800欧姆,所有人期待着这个标志性的数值,然而没有人知道神秘的微观世界究竟会发生什么,之前一直做不到25800这个数值,然而现在如果超过了怎么办?数据不停地跳动着,10000、20000、25800!数据停住了!材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到量子电阻的数值并形成一个平台,同时纵向电阻急剧降低并趋近于零,这是量子化反常霍尔效应的特征性行为。

  历史将这一时刻定格——在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后,人类终于实现了其量子化!实验结果如此干净漂亮,数据完美得不可思议,让每位成员都感叹“真是见证奇迹的时刻”。

  最终数据出来的那天,薛其坤带了两瓶香槟酒,与团队成员一起合影,留下这珍贵的回忆。那是2012年10月,离2008年10月实验开始已整整4年。

中国优秀科研团队向世界“亮剑”

  在诺贝尔物理奖获得者、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授看来,薛其坤院士领衔的科研团队取得的,是“诺贝尔级别的科研成果”。

  “为什么别国没有成功而在中国取得成功,这与中国整个科研体制有关,同时与人文关系有很大影响,值得研讨。这是一件大喜事。”杨振宁教授说。量子反常霍尔效应这个重大的科学发现证明,中国科学家的科学素养、研究水平和对实验技术的掌握,已经与国际先进水平接轨。在中国加大投入基础科学研究20年后,中国科学界已经具备一批国际水平的科学家,能够向世界科学领域“亮剑”。

  薛其坤院士强调,真正的科学发现是为人类增加新知识,所以研究需要很长的过程,需要多年专业的训练和积累,也需要一批经过严格训练的专业选手来攻关。“重大实验发现是对人类的智慧的一个巨大挑战,这对研究团队的科研素养和积累、对实验技术水平要求非常高。我们的团队成员在各自的领域都是一流的‘专业选手’,我们的研究团队具备了国际领先的水平。”

  薛其坤院士认为,这一科研发现在很大程度上得益于最近20年中国对基础研究的重视和大力投入。从2005年到2007年,时任清华大学物理系主任的朱邦芬院士先后引进了薛其坤、陈曦、王亚愚3位实验物理学家,并通过各种途径给他们创造尽量好的工作条件。中科院物理所也为马旭村领导的表面物理研究组和吕力领导的极低温输运研究组提供了大力支持。这些科学家每个人都在各自的领域做到了世界领先水平,并紧密合作,最终实现了量子反常霍尔效应这样的重大科学发现。

  “这项成果是我们团队精诚合作,联合攻关的共同成果,是中国科学家的集体荣誉。”薛其坤、张首晟、方忠等都反复向记者强调这一点。

  现在,这个诞生于中国本土的优秀科研团队仍然在为量子反常霍尔效应的应用前景而奋斗着。薛其坤表示:“任何一个现象从原理性的发现走到应用,都需要不同领域的科学家和工业界的共同努力,我们也会与更多的人合作将这个领域发扬光大,推动它向应用的发展。”

名词解释

霍尔效应

  130多年前,美国物理学家霍尔先后发现了霍尔效应和反常霍尔效应。在一个通有电流的导体中,如果施加一个垂直于电流方向的磁场,由于洛伦兹力的作用,电子的运动轨迹将产生偏转,从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压,这个电磁输运现象就是著名的霍尔效应。而不加外磁场也可以观测到霍尔效应,这种零磁场中的霍尔效应就是霍尔反常效应。

新闻背景

量子霍尔效应研究已三获诺贝尔奖

  在凝聚态物理的研究中,量子霍尔效应占据着极其重要的地位,此前在这方面的重要工作包括——

  □整数量子霍尔效应(1980年发现,1985年诺贝尔物理奖);

  □分数量子霍尔效应(1982年发现,1998年诺贝尔物理奖);

  □石墨烯中的半整数量子霍尔效应(2005年发现,2010年诺贝尔物理奖);

  □量子化自旋霍尔效应(2007年发现,2010年欧洲物理奖,2012年美国物理学会巴克利奖)。

  量子反常霍尔效应是在此领域的又一个重大进展,有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员。

成果应用前景广阔

  在当今信息社会,半导体技术飞速发展,但电脑运行中热量如何散发成为困扰半导体和信息产业发展的一个瓶颈问题。而量子反常霍尔效应的发现将有望解决这一难题。因为这一效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用,可用于制备低能耗的高速电子器件。科学家可使电子在不需要强磁场的情况下,按照固定轨迹运动,减少电子无规则碰撞导致的发热和能量损耗。通过密度集成,将来计算机的体积也将大大缩小,千亿次的超级计算机有望做成现在的iPad那么大。因此,这一科研成果的应用前景十分广阔。

  (资料来源:清华大学、中国科技网)

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2013-04-11 15:54:37]
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