2019年1月8日召開的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)副校長(zhǎng)薛其坤領(lǐng)銜，由清華大學(xué)和中科院物理所實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)完成的“量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)”摘得2018年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

量子反?；魻栃?yīng)的首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，是世界物理學(xué)界近幾年最重要的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展之一。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者楊振寧評(píng)價(jià)其為“第一次從中國(guó)實(shí)驗(yàn)室里發(fā)表的諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的物理學(xué)論文”。

巨大的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)成就非凡的意義

量子霍爾效應(yīng)是現(xiàn)代物理學(xué)的重要研究領(lǐng)域，與其相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)曾四次摘得諾貝爾獎(jiǎng)。與宏觀世界不同，微觀世界的運(yùn)行由量子力學(xué)規(guī)律支配。能夠在宏觀尺度顯示量子力學(xué)效應(yīng)的量子材料讓科學(xué)家們夢(mèng)寐以求。然而，從真實(shí)材料中發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)上一直沒有取得任何進(jìn)展。薛其坤說(shuō)，要觀察到量子反常霍爾效應(yīng)，需要材料的性質(zhì)同時(shí)滿足三個(gè)苛刻條件：絕緣的、拓?fù)涞摹⒋判缘摹５趯?shí)際材料中，實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都具有相當(dāng)大難度，更別說(shuō)同時(shí)滿足三點(diǎn)?！熬腿缤笠粋€(gè)人同時(shí)具有短跑運(yùn)動(dòng)員的速度、籃球運(yùn)動(dòng)員的高度、體操運(yùn)動(dòng)員的靈巧一樣?！庇醚ζ淅さ脑捳f(shuō)，這是一個(gè)“自相矛盾”的要求。幸運(yùn)的是，2008年，薛其坤團(tuán)隊(duì)抓住拓?fù)浣^緣體這個(gè)新領(lǐng)域的契機(jī)，在國(guó)際上率先建立了拓?fù)浣^緣體薄膜的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制，并利用掃描隧道顯微鏡揭示出拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的拓?fù)浔Ｗo(hù)性和朗道量子化獨(dú)特性質(zhì)。

2009年，薛其坤領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)對(duì)量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行攻關(guān)。2012年底，團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)。在美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1880年發(fā)現(xiàn)反?；魻栃?yīng)133年后，終于實(shí)現(xiàn)了反?；魻栃?yīng)的量子化。為了實(shí)現(xiàn)這一基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的重大突破，薛其坤和他的團(tuán)隊(duì)花了整整4年時(shí)間。薛其坤形象地說(shuō)，量子反應(yīng)的量子化的發(fā)現(xiàn)可以改變電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，使其像在高速公路上行駛的汽車一樣有序。這項(xiàng)研究成果將會(huì)推動(dòng)新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，解決電腦發(fā)熱、能量耗損等問(wèn)題。對(duì)普通大眾來(lái)說(shuō)，最直接的影響就是有可能擺脫手機(jī)或電腦發(fā)熱、耗電快、運(yùn)行慢等困擾。

團(tuán)隊(duì)合作只為攻克一個(gè)不確定目標(biāo)

重大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是對(duì)人類智慧的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，這對(duì)研究團(tuán)隊(duì)的科研素養(yǎng)和積累，以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平的要求都非常高。量子反常霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是團(tuán)隊(duì)精誠(chéng)合作，聯(lián)合攻關(guān)的共同成果，是中國(guó)科學(xué)家的集體榮譽(yù)。薛其坤自豪地說(shuō)大家為了一個(gè)共同的不確定的目標(biāo)，從單兵作戰(zhàn)走到了一起?！懊闇?zhǔn)同一重大科學(xué)目標(biāo)，不同擅長(zhǎng)但相對(duì)獨(dú)立的單元科研團(tuán)隊(duì)的成員間形成了高效合作，其深度和持久性在國(guó)內(nèi)外也不多見?！?/p>

自2009年起，在薛其坤帶領(lǐng)下，這支團(tuán)隊(duì)在近4年的時(shí)間里，生長(zhǎng)和測(cè)量了超過(guò)1 000個(gè)樣品?，F(xiàn)在，這個(gè)誕生于中國(guó)本土的優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)仍然在為量子反?；魻栃?yīng)的應(yīng)用前景奮斗著。薛其坤表示，任何一個(gè)現(xiàn)象從原理性的發(fā)現(xiàn)走到應(yīng)用，都需要不同領(lǐng)域科學(xué)家和工業(yè)界的共同努力，他和團(tuán)隊(duì)愿意與更多人合作，努力將這個(gè)領(lǐng)域發(fā)揚(yáng)光大，不斷推動(dòng)它向應(yīng)用方向發(fā)展。

做基礎(chǔ)研究離不開強(qiáng)大的國(guó)家支持

談到從事這個(gè)項(xiàng)目最大的挑戰(zhàn)，薛其坤認(rèn)為并非來(lái)自技術(shù)層面，而是目標(biāo)的不確定性。“也不知道沿著這條路走下去到底對(duì)不對(duì)?！闭归_實(shí)驗(yàn)的4年里，團(tuán)隊(duì)成員通過(guò)一次次的生長(zhǎng)、測(cè)量、反饋、調(diào)整，爭(zhēng)取每一步都做到極致。背后支撐實(shí)驗(yàn)一步一個(gè)腳印走下去的是精密的試驗(yàn)系統(tǒng)，這是實(shí)驗(yàn)水平和科研能力的集中彰顯。薛其坤團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室位于清華大學(xué)一棟普通實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)，踏入實(shí)驗(yàn)室，映入眼簾的是密密麻麻擺放著的科研儀器，其中有五套精密實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)絕無(wú)僅有，這些儀器成就了實(shí)驗(yàn)技術(shù)的最好水平。為保障薛其坤團(tuán)隊(duì)的研究開展，清華大學(xué)通過(guò)各種途徑創(chuàng)造最優(yōu)工作環(huán)境。“這在很大程度上得益于最近20年中國(guó)對(duì)基礎(chǔ)研究的重視和大力投入。

“薛其坤說(shuō)。量子反?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)，堪稱我國(guó)在基礎(chǔ)研究上的一個(gè)重大成果。薛其坤認(rèn)為，日益強(qiáng)大的國(guó)力、良好完善的科技政策、科學(xué)系統(tǒng)的科技規(guī)劃、催人奮進(jìn)的創(chuàng)新氛圍是基礎(chǔ)和保障。建立新的科學(xué)理論、發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)效應(yīng)和科學(xué)規(guī)律是基礎(chǔ)研究皇冠上的明珠。摘取這顆明珠，一直是薛其坤團(tuán)隊(duì)科研道路上的動(dòng)力與使命。量子反?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)，就是薛其坤團(tuán)隊(duì)為人類科學(xué)知識(shí)寶庫(kù)貢獻(xiàn)的一顆璀璨明珠?！盀槿祟惏l(fā)展和科學(xué)進(jìn)步做貢獻(xiàn)，同樣是一個(gè)國(guó)家強(qiáng)大的標(biāo)志?！毖ζ淅ふf(shuō)，“科學(xué)技術(shù)應(yīng)用無(wú)國(guó)界，中國(guó)科學(xué)家應(yīng)該為人類命運(yùn)共同體的建造，為世界科學(xué)的進(jìn)步貢獻(xiàn)自己的力量?！?/p>