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中国最接近诺贝尔物理学奖的一次发现
发布时间:2017-12-06  信息发布人:管理员  

  2013年3月14日,美国《科学》杂志在线发布了一则轰动科学界的新闻:由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。著名美籍华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁甚至激情澎湃地宣称:“此次成果是从中国的实验室里,第一次发表出了诺贝尔奖级的物理学论文,不仅是科学界的喜事,也是整个国家的喜事。”实验结果公布后,薛其坤曾应邀去日本作学术报告,日本科学家给他发来了邮件,称赞“这是我在过去十年里听到的最好的学术报告,我们真没有想到你们最终发现了这一美妙现象”。另一位美国知名物理学家也向课题组发来邮件,“看到你们的结果,我真感觉有些嫉妒。但回过头想起来,这个工作巨大的难度也确实让我们叹为观止。”如果说,以上都是个人发表的评论,有些主观,不够说服力,可以看看美国《科学》杂志的匿名评审给出的评价,“这篇文章结束了对量子反常霍尔效应多年的探寻,这是一项里程碑式的工作。我祝贺文章作者们在拓扑绝缘体研究中作出的重大突破。”

  到底这个量子反常霍尔效应有多么神奇,引得众人围观并获得如此称赞,这还要从19世纪末说起。

  1879年美国物理学家霍尔发现如果对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场,电子的运动轨迹将产生偏转,这个电磁现象被称为“霍尔效应”。霍尔效应是针对电子级别的一种微观粒子的物理现象,但值得注意的是,在当时,电子并没有被科学家发现。①1980年德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应,获得1985年诺贝尔物理学奖,1982年美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应,获得1998年获得诺贝尔物理学奖。综上,就知道杨振宁为什么对量子反常霍尔效应的发现如此震惊和不吝赞誉了。

  量子霍尔效应不仅仅是高大上的理论,它跟我们的生活息息相关,尤其是现如今,各种各样五花八门的电器已经完全占据了我们的生活。手机、电脑、电视,无所不在。我们在使用这些电器的时候,机身会发热,这是最平常不过的现象,台式机的主机之所以做得那么大就是为了散热,不仅如此,还要在里面专门加一个散热的风扇。这不仅是能量损耗,更会影响电器的使用,使得电器运行速度变慢,耗能变多。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道,相互碰撞从而发生能量损耗。量子霍尔效应则可以“驯服”这些电子。用薛其坤院士接受中央电视台采访时所说的话说就是:“这就好比一辆高级跑车,常态下是在拥挤的农贸市场上前进,而在量子霍尔效应下,则可以在‘各行其道、互不干扰’的高速路上前进。”

  然而,量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场,相当于外加10个计算机大的磁铁,或者说像一个大衣柜,这不但体积庞大,而且价格昂贵,根本不适合个人电脑和便携式计算机。按照现在寸土寸金的房价,就算买得起这样的机器,恐怕也没有地方安放。但是科研工作者并没有就此止步。就在美国科学家施特默因为发现分数量子霍尔效应的1988年,同样属于美国的物理学家霍尔丹提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应,不需要任何外加磁场,在零磁场中就可以实现量子霍尔态,如果是这样的话,那么便可应用到人们日常所需的电子器件中。

  试想一下,如果利用量子反常霍尔效应发展出低能耗晶体管和电子学器件,这将克服电脑的发热和能量耗散问题,从而有可能推动信息技术的进步,这将有可能加速推进信息技术革命进程,进而引发全球科技的大跳跃。现在,我们的手机顶多是几个G的存储量,应用量子反常霍尔效应,可以达到几个T,同样的,现在那些前移次超级计算机有可能缩小到笔记本大小。

  但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。可以说,全世界许多顶尖的科学家都在这个领域探索,期望自己能成为发现量子反常霍尔效应的第一人,关于花落谁家的问题大家也非常关注。最终薛其坤院士拔得头筹。这实在是振奋人心的事。我们常常说,什么是爱国,这就是最大的爱国。在战争年代捍卫祖国的尊严,在和平年代为祖国争取荣誉。

  为什么是薛其坤院士?这并不是像苹果从树上坠落砸中牛顿脑袋那么简单的事情。现在科学每一小步进展,都包含了科研人员无数的汗水和脑细胞。

  薛其坤团队经过近4年的研究,生长测量了1000多个样品。最终,他们利用分子束外延方法,生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。熬夜加班是家常便饭,突然有一天,正常下班大家才会觉得奇怪。在清华大学,薛其坤院士有一个乍听起来怪异的外号“7—11”②——他早上7点就扎进实验室,一直干到晚上11点。这样的作息时间,薛其坤坚持了20年。毛主席说,做一件好事不难,难的是做一辈子好事。加一天班也不难,难的是加20年。然而,薛其坤院士做到了,中国做到了。

  不管将来薛其坤院士是否能够摘取诺贝尔物理学奖的桂冠,他都将成为我们的自豪和骄傲。

  ①电子是1897年由J.J.汤姆逊发现,并于1906年获得诺贝尔物理学奖。

  ②7—11,便利店。最初7—11的经营理念是在非正常营业时间(晚7点至第二天上午11点)仍能够提供零售服务,现在已经发展成24小时全天候营业。7—11已成为全天候营业便利店的指代。

  对薛其坤团队的发现高度评价的杨振宁教授

  霍尔效应

  量子反常霍尔效应

  薛其坤和他的团队

  严以律己的薛其坤院士