穿墻而過、死活不定，這些都是只會(huì)存在于神話中的想象，但在微觀世界卻是真實(shí)存在的。微觀世界的運(yùn)行由量子力學(xué)規(guī)律支配，會(huì)顯示完全不同于宏觀世界的現(xiàn)象。
能夠在宏觀尺度顯示量子力學(xué)效應(yīng)的量子材料現(xiàn)在是物理學(xué)、材料科學(xué)、電子學(xué)、量子信息等學(xué)科共同關(guān)注的焦點(diǎn)，而這正是清華大學(xué)薛其坤研究團(tuán)隊(duì)的突破所在。在過去幾年里，薛其坤研究團(tuán)隊(duì)在量子材料的研究中取得一系列國際領(lǐng)先的科研成果，尤其是量子反常霍爾效應(yīng)的首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，是世界物理學(xué)界近年來最重要的實(shí)驗(yàn)突破之一，引領(lǐng)了國際學(xué)術(shù)方向。
2019年開年之際，中科院院士薛其坤領(lǐng)導(dǎo)的清華大學(xué)、中科院物理所實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)完成的“量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)”被授予2018年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
在微觀世界里，在不需要強(qiáng)磁場(chǎng)的情況下，電子可在各自的跑道上按規(guī)則有序地、一往無前地奔跑，這是薛其坤對(duì)量子反常霍爾效應(yīng)的通俗解釋。正是他的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中最先觀測(cè)到這一現(xiàn)象。
“在那個(gè)世界里，粒子怎么可以穿過勢(shì)壘，電子為什么可以跳躍式地運(yùn)動(dòng)，這些奇妙的現(xiàn)象是偶然嗎？到底是什么原理呢？”薛其坤說，興趣和好奇心是支撐科學(xué)家在枯燥的實(shí)驗(yàn)和科研中堅(jiān)持下去的原動(dòng)力。
2008年前后，華裔物理學(xué)家、斯坦福大學(xué)的張首晟教授等理論物理學(xué)家提出了用磁性拓?fù)浣^緣體實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的方案，從理論上提出這一材料實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的可能性，但能否在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)它還是未知數(shù)。長(zhǎng)期從事量子物理研究的薛其坤認(rèn)識(shí)到，這是一個(gè)非常值得在中國進(jìn)行深入探究的領(lǐng)域。從那時(shí)起，他和團(tuán)隊(duì)就展開了對(duì)拓?fù)浣^緣體中新奇量子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。
在凝聚態(tài)物理中，量子霍爾效應(yīng)占據(jù)著極其重要的地位。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)則可改變這一現(xiàn)象，它可以用于發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件，降低芯片的發(fā)熱和能量損耗問題，從而有可能推動(dòng)信息技術(shù)的進(jìn)步。
“然而，普通量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要用到非常強(qiáng)的磁場(chǎng)（通常需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度是地磁場(chǎng)的幾萬甚至幾十萬倍），應(yīng)用起來非常昂貴和困難。”團(tuán)隊(duì)成員、清華大學(xué)教授何珂告訴記者，“量子反常霍爾效應(yīng)的最美妙之處是不需要任何外加磁場(chǎng)，因此，這項(xiàng)研究成果將會(huì)推動(dòng)新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，可能加速推進(jìn)信息技術(shù)革命的進(jìn)程。”
項(xiàng)目的5位主要完成人，薛其坤、王亞愚、何珂、馬旭村、呂力都是相關(guān)領(lǐng)域頗有影響力的物理學(xué)家。“我們的團(tuán)隊(duì)有很多杰出的物理學(xué)家，大家為了一個(gè)科學(xué)目標(biāo)走到一起，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手、攻艱克難，這將是以后科學(xué)研究的一個(gè)趨勢(shì)。”薛其坤說。
長(zhǎng)期以來，這個(gè)團(tuán)隊(duì)的樣品制備人員和檢測(cè)人員都“無縫對(duì)接”，保持高效運(yùn)轉(zhuǎn)。在量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)成功前，他們先后嘗試了1000多個(gè)拓?fù)浣^緣體樣品。
薛其坤認(rèn)為，對(duì)于他的研究團(tuán)隊(duì)來說，發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)是下一程科學(xué)研究的開始，大家科學(xué)探索的道路從未停止。他表示，之前量子反常霍爾效應(yīng)是在接近零下273攝氏度中實(shí)現(xiàn)的，要想真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，就需要把溫度往上升，所以現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)正在實(shí)驗(yàn)?zāi)芊褡屃孔臃闯；魻栃?yīng)在溫度提高的情況下實(shí)現(xiàn)。(記者 李 艷)