薛其坤做客清华论坛讲述量子反常霍尔效应实验观测

  清华新闻网4月28日电(记者 刘蔚如 顾淑霞)4月27日下午,清华大学物理系薛其坤院士做客清华论坛,讲述量子反常霍尔效应的实验观测和体会。副校长康克军出席论坛。

图为薛启坤做报告。学生记者 李钧翔

  薛其坤院士回顾了过去4年间,他所领衔的研究团队从着手进入拓扑绝缘体这个全新的研究领域,一直到在实验上成功观测到量子反常霍尔效应的奋斗过程,并对这个领域的未来发展做了简单评述。

  薛其坤从量子反常霍尔效应实验观测相关的一些基本知识讲起,为在座的师生们简要介绍了霍尔效应家族的全貌。薛其坤介绍说,1879年和1880年,美国科学家霍尔分别发现了霍尔效应和反常霍尔效应,此后,整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应也逐一被发现。量子霍尔效应好比是电子运动的“交通规则”,使得电子只能沿着边缘的一维通道运动,并且只能做单向运动,不能返回,这相当于建立了电子运动的“高速公路”,使其告别了杂乱无章的运动。量子霍尔效应可以被用来实现无耗散低能耗高速电子器件,推动信息和能源产业的发展,对未来实现固体拓扑量子计算和信息处理的革命有直接的推动意义。然而,实现量子霍尔效应需要十万高斯的强磁场(地磁场仅为0.5高斯),这样苛刻的条件使得量子霍尔效应的应用遥不可及。于是,科学家们一直在寻找不需要外加磁场的量子霍尔效应,即量子反常霍尔效应。

  薛其坤认为,通过实验验证量子反常霍尔效应,不但具有重要的科学意义和应用价值,而且因为这是一个很有挑战性的、非常精密的物理实验,在从事该实验研究的过程中,可以培养很多优秀的年轻物理学家,成为人才培养的摇篮,实现清华“顶天、立地、树人”的科研理念。

  随后,薛其坤重点讲述了他所领衔的研究团队4年时间里艰难的实验历程。薛其坤提到,他对自己的学生有一项要求,即每一个研究生每个月要交两个报告,一是文献阅读报告,一是工作进展报告。2008年10月,正是他的一位研究生在文献阅读报告里介绍了拓扑绝缘体的概念以及相关研究成果,开启了他们从事该领域研究的大门。而研究一旦开始,马上就面临了第一个瓶颈——最基本的材料问题。生长出高质量的拓扑绝缘体材料,是研究的第一步,世界各国的很多材料生长方面的顶尖专家都曾在该领域进行尝试,却都没有突破,所以,薛其坤决定要从实验技术和方法上寻找新的切入点。

图为朱邦芬院士向薛其坤颁发清华论坛演讲铭牌。学生记者 王涵

  2009年4月起,薛其坤等就把研究工作的重心放在拓扑绝缘体材料的生长动力学研究方面。凭借自己从事薄膜生长动力学系统研究20余年的经验,薛其坤带领团队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。薛其坤说,这一成果的取得,为后续研究奠定了最关键的基础,也奠定了研究团队在国际学术界的地位。在此后的4年里,每年都有团队成员受邀在美国物理学会年会上作相关的研究报告。回顾这段研究历程,薛其坤认为:“实验技术的发展很重要,学术的长期积累很重要。”

  实验接下来面临的重要挑战就是对材料质量的要求,薛其坤解释说,量子反常霍尔效应对材料的要求包括三个方面,即材料必须具有铁磁性从而存在反常霍尔效应;材料的体内必须绝缘从而对导电没有任何贡献;材料的电子结构必须具有拓扑特性:一维导电通道。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度,要同时满足这三点更是一个巨大的挑战,美国、德国、日本等国的科学家都未取得最后的成功。而在薛其坤的带领下,团队开始了非常艰难、曲折的实验观测历程。3年多的时间里,团队生长和测量了超过1000个样品,有20多位学生参与其中,使用过5套最精密的仪器,终于在2012年底得出最终数据,从实验上首次观测到量子反常霍尔效应!“勤奋很重要,坚持不懈很重要,精诚的合作很重要。”薛其坤总结这一段研究经历时强调说。

  在报告的最后,薛其坤总结说,课题组的讨论、对材料的掌握、实验技能和经验、勤奋、坚持、合作,以及经费的投入都是自己所率领的这个研究团队取得成功的重要因素,而最后一点同样重要的是,科学需要一点冒险的精神。

图为清华论坛现场。学生记者 王涵

  在随后的提问环节里,在场的师生们围绕拓扑绝缘体的特点、实验过程中的具体工作、科研团队的组织、量子反常霍尔效应的应用、未来工作的展望等方面提出问题,薛其坤逐一回答了大家的问题。

  此次演讲是清华论坛第48讲,清华大学物理系朱邦芬院士主持论坛。

  薛其坤院士的主要研究方向为扫描隧道显微学、表面物理、自旋电子学、拓扑绝缘量子态和低维超导电性等。他发表文章330余篇,包括5篇《科学》(Science),7篇《自然》(Nature)子刊,1篇《美国国家科学院院刊》(PNAS),31篇《物理评论快报》(Physical Review Letters),被引用超过6000余次。在国际会议上应邀做大会/主题/特邀报告100余次,其中四次在美国物理学会年会做邀请报告。曾获中国科学院杰出科技成就奖(2005)、何梁何利科学与进步奖(2006)、国家自然科学二等奖(2005、2011)、第三世界科学院物理奖(2010)、求是杰出科技成就集体奖(2011)、陈嘉庚科学奖(2012)、“万人计划”杰出人才(2013)等奖励与荣誉。

  2013年3月15日,《科学》杂志在线发表了由清华大学薛其坤院士领衔,清华大学物理系、中科院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队在量子反常霍尔效应研究中取得的重大突破——在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中,从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。《科学》杂志的三位匿名审稿人对该项成果都给予了高度评价。诺贝尔物理学奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁评价该成果说:“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。”

编辑:冰 冰

 

2013年04月28日 17:15:41  清华新闻网

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