陳冰

薛其坤帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng)。

2020年，對(duì)于中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)、北京量子信息科學(xué)研究院院長(zhǎng)薛其坤而言，非常特別。

年初，他獲得了2020年度菲列茲·倫敦獎(jiǎng)。菲列茲·倫敦獎(jiǎng)是國(guó)際公認(rèn)的低溫物理領(lǐng)域最高獎(jiǎng)，薛其坤也是國(guó)內(nèi)首個(gè)、亞洲第二個(gè)獲得此項(xiàng)榮譽(yù)的科學(xué)家。

9月，北京市人民政府授予薛其坤北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)最高獎(jiǎng)——突出貢獻(xiàn)中關(guān)村獎(jiǎng)。

年末，薛其坤與英國(guó)的邁克爾·貝里、美國(guó)的查爾斯·凱恩一同獲得了第五屆“復(fù)旦-中植科學(xué)獎(jiǎng)”，獲獎(jiǎng)當(dāng)日，他履新南方科技大學(xué)校長(zhǎng)不到一個(gè)月。

此前，與量子霍爾效應(yīng)相關(guān)的數(shù)項(xiàng)研究斬獲了諾貝爾獎(jiǎng)——整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、石墨烯半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)……但是，在量子霍爾效應(yīng)家族里，最后一個(gè)神秘成員“量子反常霍爾效應(yīng)”——不需要外加磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)，遲遲沒有被人發(fā)現(xiàn)。

薛其坤之所以能斬獲這些大獎(jiǎng)，是因?yàn)樗麕ьI(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了量子反常霍爾效應(yīng)。

什么是量子反常霍爾效應(yīng)？它的發(fā)現(xiàn)有什么重大意義？薛其坤院士接受《新民周刊》獨(dú)家專訪，娓娓道來(lái)。

2019年12月23日，中科院院士薛其坤攜清華大學(xué)量子反常霍爾效應(yīng)研究團(tuán)隊(duì)，將自主研發(fā)的8件關(guān)鍵性科學(xué)儀器實(shí)物捐贈(zèng)給國(guó)家博物館。這是量子反?；魻栃?yīng)測(cè)量用的低溫樣品架和樣品。

電子運(yùn)動(dòng)的“交通規(guī)則”

在認(rèn)識(shí)量子反?；魻栃?yīng)之前，讓我們先來(lái)了解一下量子霍爾效應(yīng)。

量子霍爾效應(yīng)，于1980年被德國(guó)科學(xué)家馮·克里青發(fā)現(xiàn)，是整個(gè)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中重要、最基本的量子效應(yīng)之一。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：我們使用計(jì)算機(jī)的時(shí)候，會(huì)遇到計(jì)算機(jī)發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因?yàn)槌B(tài)下芯片中的電子運(yùn)動(dòng)沒有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應(yīng)則可以對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)制定一個(gè)規(guī)則，讓它們?cè)诟髯缘呐艿郎稀耙煌鶡o(wú)前”地前進(jìn)。

然而，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，“能產(chǎn)生這個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)的設(shè)備比人還高，不但體積龐大，而且價(jià)格昂貴，不適合個(gè)人電腦和便攜式計(jì)算機(jī)?！毖ζ淅ふf，量子反?；魻栃?yīng)的美妙之處是不需要任何外加磁場(chǎng)，在零磁場(chǎng)中就可以實(shí)現(xiàn)量子霍爾態(tài)，人類有可能利用其無(wú)耗散的邊緣態(tài)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件，從而解決電腦和很多電子器件發(fā)熱問題的瓶頸問題。

自1988年開始，就不斷有理論物理學(xué)家提出各種方案，然而在實(shí)驗(yàn)上沒有取得任何進(jìn)展。

實(shí)驗(yàn)中做到量子反?；魻栃?yīng)的測(cè)量為什么難度極大？薛其坤打了個(gè)比方：“把材料在5納米的嚴(yán)格厚度上均勻到1毫米，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)其的測(cè)量，這就相當(dāng)于做一張學(xué)校操場(chǎng)那么大的A4紙?！?/p>

2005年左右，包括中國(guó)華人物理學(xué)家張首晟教授在內(nèi)的科學(xué)家，在理論上預(yù)言了一種叫做拓?fù)浣^緣體的新的材料（內(nèi)部絕緣、表面導(dǎo)電的材料），在其中引入磁性就可以實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，擅長(zhǎng)于材料科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)物理的薛其坤敏銳地捕捉到這一信息，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)尋找制作拓?fù)浣^緣體——制備出一種像石墨烯那樣，一層一層平整的納米材料。

在研究了國(guó)際同行的常規(guī)技術(shù)路線后，他們主動(dòng)放棄，另辟蹊徑，在國(guó)際上率先建立了拓?fù)浣^緣體薄膜的分子束外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，在原子水平上實(shí)現(xiàn)了對(duì)拓?fù)浣^緣體薄膜樣品生長(zhǎng)過程的精確控制，薄膜只有幾個(gè)納米厚，肉眼幾乎看不到這種材料的存在。制作這種拓?fù)浣^緣體薄膜，需要將幾種元素用一種叫“分子束外延”的方法一層一層生長(zhǎng)起來(lái)。幾種原子如何配比，結(jié)構(gòu)如何搭建，都十分復(fù)雜精妙。

整整4年時(shí)間里，薛其坤的研究團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng)和測(cè)量了超過1000個(gè)樣品，每一個(gè)樣品的實(shí)驗(yàn)一般需要3-4天。一次次的生長(zhǎng)、測(cè)量，一次次的挫折、調(diào)整，再生長(zhǎng)、再測(cè)量……把實(shí)驗(yàn)的每一步、每一個(gè)細(xì)節(jié)都力爭(zhēng)做到極致，把實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)揮到極限。他們幾個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能克服一個(gè)困難，向目標(biāo)推進(jìn)一小步。

薛其坤的很多學(xué)生曾經(jīng)較勁：“想趁著自己年輕，和薛老師比一比，看誰(shuí)先到實(shí)驗(yàn)室，誰(shuí)最后一個(gè)離開”，但多年來(lái)幾乎沒人能贏。這是一種近乎苦行的“修煉”，但薛其坤卻體會(huì)到的是快樂而非痛苦。

功夫不負(fù)有心人，就是在經(jīng)歷了這種頑強(qiáng)堅(jiān)持和追求極致的過程，最終找到最佳的元素搭配與結(jié)構(gòu)。2012年10月12日晚，薛其坤團(tuán)隊(duì)在制備的磁性拓?fù)浣^緣體樣品測(cè)試中首次發(fā)現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng)的跡象，經(jīng)過兩個(gè)月的奮戰(zhàn)，獲得了完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了量子霍爾效應(yīng)的存在。2013年3月15日該工作發(fā)表于《科學(xué)》，引起了國(guó)際轟動(dòng)。這是量子霍爾效應(yīng)家族里最后一個(gè)有待發(fā)現(xiàn)的重要成員，也是近年來(lái)國(guó)際物理學(xué)界由中國(guó)科學(xué)家以無(wú)與倫比的精巧實(shí)驗(yàn)和近乎完美的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成的重大科學(xué)成果。

用薛其坤的話來(lái)說，量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)操作挑戰(zhàn)很大。從材料的角度來(lái)看，需要制備出有磁性的、拓?fù)涞?、絕緣的超薄膜?！皩?duì)于一個(gè)二維體系，一般的研究生就可以知道，這三種性質(zhì)往往是互相矛盾的。比如磁性和絕緣往往是矛盾的，我們熟知的磁性材料鐵、鈷、鎳是非常好的導(dǎo)體，一點(diǎn)都不絕緣;絕緣體如我們熟知的陶瓷、玻璃等又沒有磁性。如果需要把絕緣體變得有磁性，只能在玻璃的制造過程中加入很多的鐵、鈷、鎳，加少了仍然是絕緣的，沒有磁性，加多了變得有磁性后，它們也往往變得導(dǎo)電了。

“拓?fù)浜痛判砸彩敲艿?，鐵是一個(gè)輕元素，然而要有拓?fù)湫孕枰弥卦?，摻雜了鐵、鈷、鎳，有磁性了以后，拓?fù)涞男?yīng)，也就是自旋軌道耦合就會(huì)變?nèi)酢Ｋ孕枰苽湟环N三不像的材料，就好像要求一個(gè)運(yùn)動(dòng)員既像姚明那么高能打籃球，還要像劉翔那樣跑得快，還要像溜冰運(yùn)動(dòng)員一樣伶俐。四項(xiàng)全能運(yùn)動(dòng)員很好找，但他們每一項(xiàng)都不是最高水平。而我們要找的是每一個(gè)特點(diǎn)都要和最好的材料可比擬的三不像材料。”

薛其坤說，團(tuán)隊(duì)的科學(xué)目標(biāo)非常清楚：實(shí)現(xiàn)沒有磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)，也就是在沒有磁場(chǎng)的情況下測(cè)到霍爾電阻值等于h/e2，即25812.807419歐姆的電阻?！霸?010年到2011年間，我們制備出了磁性拓?fù)浣^緣體薄膜，但測(cè)到的霍爾電阻幾乎是零，導(dǎo)電性非常好;在不斷的努力和堅(jiān)持下，發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題解決一個(gè)問題，霍爾電阻跳到幾百歐姆;又是半年多的堅(jiān)持，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)條件等等;又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題，然后電阻又增加了一點(diǎn)，又實(shí)現(xiàn)了一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)步，終于在2012年的12月份看到了沒有磁場(chǎng)的情況下霍爾電阻達(dá)到了25812歐姆左右，意味著量子反?；魻柕膶?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)?！?/p>

從1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾提出霍爾效應(yīng)，到1988年鄧肯·霍爾丹預(yù)言量子反?；魻栃?yīng)，再到薛其坤在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，數(shù)代物理學(xué)家前后共耗費(fèi)了100多年的時(shí)間。“科學(xué)就是在一點(diǎn)一滴的進(jìn)步中實(shí)現(xiàn)超越”。

“量子反?；魻栃?yīng)”是中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)且能寫進(jìn)物理教科書的工作。在過去相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，被收入教科書的基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的突破往往源自其他國(guó)家科學(xué)家的新發(fā)現(xiàn)。所以，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者物理學(xué)家楊振寧評(píng)價(jià)薛其坤的成果：“這讓我想起很多年前接到物理學(xué)家吳健雄的電話，第一次告訴我在實(shí)驗(yàn)室做出了宇稱不守恒的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)震驚了世界。今天薛其坤及其團(tuán)隊(duì)做出的實(shí)驗(yàn)成果，是物理學(xué)領(lǐng)域最近幾年一個(gè)重大的成果，這不僅是科學(xué)界的喜事，也是整個(gè)國(guó)家的喜事?！?h3>實(shí)驗(yàn)利器：針尖

在接受《新民周刊》采訪時(shí)，薛其坤特別提到自己的兩位導(dǎo)師——中科院的陸華教授與日本東北大學(xué)的櫻井利夫教授。

“1988年開始，我在陸華門下做研究生，開始就一直在學(xué)習(xí)、發(fā)展實(shí)驗(yàn)技術(shù)。”

薛其坤指出，進(jìn)入到微觀世界不能缺少觀察微觀世界的眼睛。而掃描隧道顯微鏡，就是三種能實(shí)現(xiàn)原子分辨率的科學(xué)儀器之一。掃描隧道顯微鏡用的探針是非常尖銳的金屬針尖，金屬針尖是另一個(gè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)——場(chǎng)離子顯微鏡的樣品。

除了科學(xué)家在量子科技領(lǐng)域開疆拓土之外，量子技術(shù)要真正給人類帶來(lái)福祉，還需要更多創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)者、企業(yè)家、投資人的加入。

場(chǎng)離子顯微鏡是1951年賓州大學(xué)物理系的教授埃爾文·穆勒（Erwin Mueller）發(fā)現(xiàn)的，在一個(gè)非常尖銳的金屬針尖上面加一個(gè)非常高的電壓，導(dǎo)致的強(qiáng)電場(chǎng)能把惰性氣體離化，通過電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)投影到一個(gè)屏幕上，可以直接在實(shí)空間看到原子?！拔以谖锢硭鶎W(xué)習(xí)場(chǎng)離子顯微鏡技術(shù)，最重要的是學(xué)會(huì)了怎么做針尖，制備了幾千個(gè)針尖。隨便給我一個(gè)金屬絲，我能做出非常理想的針尖來(lái)，用它來(lái)做場(chǎng)離子顯微鏡實(shí)驗(yàn)?！?p>

薛其坤院士在實(shí)驗(yàn)室。

后來(lái)，薛其坤拜師櫻井利夫教授門下。而櫻井利夫恰好是埃爾文·穆勒的關(guān)門弟子?！拔议_始學(xué)習(xí)使用掃描隧道顯微鏡。掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)需要自己制備針尖，我在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室別的方面水平不行，但是在制備針尖方面是水平最高的學(xué)生。有一個(gè)韓國(guó)的學(xué)生，花了一天沒制備出來(lái)，我?guī)退?0分鐘做出來(lái)以后，他還請(qǐng)我吃了一頓飯?！?/p>

薛其坤說，陸華導(dǎo)師教會(huì)了他怎么做針尖，櫻井利夫教會(huì)了他用針尖作為探針怎么做好掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)。在日本期間，他還掌握了分子束外延技術(shù)。利用分子束外延，人們可以把薄膜生長(zhǎng)控制到單原子層水平。把這兩個(gè)儀器結(jié)合在一起就是他在日本工作時(shí)學(xué)到的技術(shù)。2000年回國(guó)以后，薛其坤想著能不能在分子束外延和掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上再加一個(gè)技術(shù)，這樣就可以在原子尺度上控制材料、觀察材料，通過觀察和生長(zhǎng)以及它們之間的反饋，能夠在原子尺度上控制材料的性質(zhì)。

“材料的性質(zhì)怎么表征？靠角分辨光電子能譜。我們?cè)谖锢硭鶎?shí)現(xiàn)了三種高精尖實(shí)驗(yàn)技術(shù)在超高真空下的聯(lián)合。聯(lián)合系統(tǒng)的操作是非常有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)槟阏莆找粋€(gè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)是很難的，掌握兩個(gè)更難，掌握三個(gè)而且一年到頭讓它一直順利工作，這是非常有挑戰(zhàn)性的。這個(gè)idea很好，卻給學(xué)生制造了每天學(xué)習(xí)生活的極大困難。”

“制備針尖只是一項(xiàng)小小的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，但短時(shí)間內(nèi)如能做出高質(zhì)量的針尖，不僅意味著實(shí)驗(yàn)做得更快，數(shù)據(jù)也更好。”薛其坤感慨，在科研的道路上，真可謂“不積跬步，無(wú)以至千里”。從本質(zhì)上說，物理學(xué)是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，大部分科學(xué)發(fā)現(xiàn)首先源自在實(shí)驗(yàn)上取得突破。這些突破往往是建立在點(diǎn)點(diǎn)滴滴努力之上。

在薛其坤看來(lái)，物理學(xué)科發(fā)展至今，要在理論層取得重大突破已比較困難，而實(shí)驗(yàn)層面的突破則越來(lái)越依賴于實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的發(fā)展。

“就物理學(xué)而言，要繼續(xù)探索自然的奧秘，必須利用高精尖的儀器設(shè)備，把這個(gè)世界‘看得更細(xì)、聽得更遠(yuǎn)，才可能有新發(fā)現(xiàn)。要知道，在牛頓年代，看到蘋果落地就可以提出新的理論，而如今基本不可能出現(xiàn)?！毖ζ淅ふJ(rèn)為，這也是為什么對(duì)現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展來(lái)說，精密儀器設(shè)備等技術(shù)發(fā)展顯得越來(lái)越重要的原因。

量子大乾坤

量子霍爾效應(yīng)，對(duì)普通人來(lái)說，拗口而晦澀。但在物理學(xué)家眼中，它神奇又美妙，是一座科學(xué)“富礦”，讓一代又一代科學(xué)家為之著迷和獻(xiàn)身。

量子反?；魻栃?yīng)解決了不用外磁場(chǎng)就能解決電子碰撞發(fā)熱的問題。采用這種效應(yīng)設(shè)計(jì)集成電路和元器件，有望克服目前計(jì)算機(jī)發(fā)熱耗能等帶來(lái)的一系列問題！

薛其坤指出，量子力學(xué)已經(jīng)建立了100多年，是人類探究微觀世界的重大成果，是關(guān)于微觀物質(zhì)世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論體系，與相對(duì)論一起構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。

量子力學(xué)的發(fā)展，觸發(fā)了第一次量子技術(shù)革命。第一次量子技術(shù)革命，是從認(rèn)識(shí)量子世界、發(fā)現(xiàn)量子效應(yīng)到發(fā)展量子技術(shù)應(yīng)用。信息時(shí)代的關(guān)鍵核心技術(shù)，如晶體管、激光、硬盤、GPS等是第一代量子技術(shù)的成果。

目前我們已經(jīng)進(jìn)入第二次量子技術(shù)革命時(shí)代，是通過主動(dòng)人工設(shè)計(jì)和操控量子系統(tǒng)來(lái)發(fā)展量子技術(shù)和應(yīng)用。量子計(jì)算能顛覆性提高信息運(yùn)算處理速度，量子通信會(huì)大幅度提升通信安全性，量子精密測(cè)量和傳感技術(shù)會(huì)在未來(lái)數(shù)字時(shí)代和萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代有著廣泛的應(yīng)用。量子科技發(fā)展具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值，是一項(xiàng)對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進(jìn)行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向?！俺丝茖W(xué)家在量子科技領(lǐng)域開疆拓土之外，量子技術(shù)要真正給人類帶來(lái)福祉，還需要更多創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)者、企業(yè)家、投資人的加入?！毖ζ淅ふf。