清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队,从实验上首次观测到量子反常霍尔效应

“这是一个诺奖级的发现”

来源:光明日报 2013-4-11 邓晖 齐芳

  6个月前的一天,学生的一条短信,让清华大学薛其坤院士经历了人生中最为激动的一刻。3天后,与薛其坤在美国的碰面,也让斯坦福大学教授、清华大学“千人计划”教授张首晟同样迎来了他“此生最难忘的一天”,当天,薛其坤兴奋地告诉他一则“惊人”的消息。

  6个月后的今天,清华园春意初现。薛其坤登上讲台,谦和一笑,在学界前辈杨振宁、朱邦芬和同行及媒体人期待的目光中,以一句“真不知道从何说起……”揭开那令人激动的发现。

  这真是一个令中国科学界都为之振奋的重大发现——由清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队,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,这也证实了此前中科院物理研究所与斯坦福大学理论团队的预言。

  而在此前,这份研究报告在《科学》(Science)杂志在线发表,被3名匿名评审人给予高度评价。(详见本报3月16日教科文新闻版报道)3月18日的美国物理学会年会上,薛其坤院士成为焦点人物,很多华人科学家和相熟的外国学者都为发现这一“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”向他表示祝贺。

  “这是第一次从中国科学家自己的实验室里得到了诺贝尔奖级别的重大发现。”今天的发布会现场,著名物理学家、诺贝尔奖获得者杨振宁先生说,“今天这个重大发现,不仅是科学界的喜事,更是整个国家的喜事。”

假想获得验证 一次向奇迹的完美冲击

  “我们做理论的,总为帮不上实验的忙而焦急。但我始终记得杨振宁先生的教导,最美的数学框架和理论概念总能在大自然中得到验证。”在今天的发布会现场,张首晟说。

  正是量子反常霍尔效应的发现,让他体会到了假想获得验证的欢欣。

  2008年10月15日,薛其坤院士清楚地记得这个日子,在课题组的例行组会上,学生介绍了由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拓扑绝缘体概念以及相关研究成果。从那时起,薛其坤和张首晟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陈曦和贾金锋教授,以及中科院物理所马旭村研究员合作,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,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。

  2006年,张首晟教授在理论上预言了第一个二维拓扑绝缘体,并很快被实验证实。此后,他把这个新领域引入中国,开始与中科院物理所的方忠和戴希两位计算物理方面的国际知名专家展开广泛合作,共同预言了以Bi2Te3和Bi2Se3为代表的一类新型三维拓扑绝缘体。2008年,张首晟教授和当时清华高研中心的两位研究生祁晓亮、刘朝星一起提出在磁性掺杂拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的理论构思。2010年方忠、戴希等与张首晟合作,提出磁性掺杂的Bi2Se3等新型拓扑绝缘体是实现量子反常霍尔效应的理想体系。理论预言是否正确需要实验证明,从实验上发现量子反常霍尔效应也成为世界许多科学家的奋斗目标。

苛刻条件一一实现 向奇迹步步逼近

  在拓扑绝缘体研究的初期,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。

  在薛其坤的亲自指导下,清华大学和中科院物理所组成的团队仅用3、4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,使薄膜样品的质量很快达到国际领先水平。

  “这是最重要的一步,迈出这一步,后面工作才能顺利展开。可以说就是从建立起这类材料生长动力学的这一天起,我们奠定了在这项研究中的领先地位”,薛其坤强调。正在此时,中国开始实施旨在吸引海外顶尖学者的中组部“千人计划”,张首晟作为“千人计划”学者受聘清华大学,自此与薛其坤团队开始了紧密合作。

  虽然材料生长动力学这一关键问题得以解决,但实现量子反常霍尔效应所需条件带来的种种难题还是让实验面临瓶颈。

  挑战面前,他们选择独辟蹊径,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2—3周都会进行一次充分讨论,分析实验的所有细节,制定详尽的下一步计划。

  “我们很幸运有一批优秀的研究生”,团队成员、清华大学物理系教授王亚愚说,“他们不仅工作勤奋,而且由于思维没有束缚,在研究过程中经常会提出一些让老师惊讶的奇思妙想。在这个研究过程中,我们和学生是一起成长的。”

  就这样,团队成员在过去的四年时间里共生长和测量了超过1000个样品,每一次的生长、测量、反馈、调整都争取做到极致。功夫不负有心人,每半年到九个月,他们就会克服一个困难,向前跳一级。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(相当于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,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。

  量子反常霍尔效应所需要实验材料的三个苛刻条件终于被实现了。

  2012年3月份,坚持不懈的团队成员不经意间观察到反常霍尔电阻值竟达到了量子电阻的0.6倍,似乎离量子电阻咫尺之遥,这给了他们极大的鼓舞。此后,他们从各个细节全面优化生长测量条件,一步一步接近奇迹出现的时刻。

见证奇迹 中国科研团队的荣誉

  2012年10月的一个晚上,薛其坤教授收到学生的短信: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,部署下一步实验,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。

  接下来几天,团队成员用“诚惶诚恐”形容自己的心情。严谨的科学精神面前,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(h/e2~25800欧姆)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”。

  “重大实验发现是对人类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’,研究团队具备了国际领先的水平。”薛其坤说,这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。“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、方忠等都着重强调这一点。

  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,推动它向应用的方向发展。”

2013年04月11日 15:51:52  清华新闻网

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