【365bet手机备用网址】量子反常霍尔效应 被我科学家发现

被视作“有可能是量子霍尔效应家族最后一个重要成员”的量子反常霍尔效应,被中国科学家首次在实验上独立观测到。今天凌晨,由清华大学薛其坤院士领衔,清华大学、中科院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队,历时4年完成的研究报告在《科学》杂志在线发表。这项被3名匿名评审人给予高度评价的成果,是在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后,首次实现的反常霍尔效应的量子化,也因此被视作“世界基础研究领域的一项重要科学发现”。

这几年,中国科学家其实也做出了许多惊艳全世界的成就,比如今年才 23
岁的曹原发现了当两层石墨烯以一个“魔角”扭曲在一起时,就能在零电阻下导电,开创了物理学一个全新的研究领域,有望最终实现能源利用率与能源运输效率的提高。他的两篇研究论文直接在一天之内以连刊的方式登上了《自然》杂志,当然最重要的是两篇论文的第一作者都是他自己,那个时候他才年仅22岁。还有王贻芳领导的团队发现了中微子的第三种震荡模式,发现前两种震荡模式的科学家都获得了诺贝尔奖。还有潘建伟的多光子纠缠及干涉度量。就是根据量子物理原理提供的一种全新方式对信息进行编码、存储、传输和逻辑操作,并对光子、原子等微观粒子进行精确操纵,以确保通信安全和提升计算速度等方面可以突破经典信息技术的瓶颈,这项技术目前仅中国掌握。

我科学家发现量子反常霍尔效应

量子反常霍尔效应 被我科学家发现

作为微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的完美体现,量子霍尔效应一直在凝聚态物理研究中占据着极其重要的地位。自美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应之后,不少科学家凭借在此领域的重要发现斩获大奖。1980年,德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应,于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年,美籍华裔物理学家崔琦、美国物理学家施特默等发现了分数量子霍尔效应,这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出理论解释,三人共同分享了1998年诺贝尔物理奖。

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开启下一次信息革命

前两位霍尔效应发现者均已获诺贝尔奖

而此次中国科学家发现的量子反常霍尔效应因为不需要外加磁场,成为多年来该领域一个非常困难的重大挑战。首先,它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质,是一种全新的量子效应;其次,它的实现也更加困难,需要精准的材料设计、制备与调控。因此,这项全新突破也被视作“有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员”。

而今天我们想要讲的,是清华大学薛其坤,用 5
年时间不懈探索发现的量子反常霍尔效应,这是他献给世界的诺奖级礼物。

来源:人民日报 2013-4-11 赵婀娜

来源:北京青年报 2013-3-16 雷嘉 马之恒

据介绍,量子霍尔效应的重要性在于它可能在未来电子器件中发挥特殊的作用,用于制备低能耗的高速电子器件,从而推动信息技术的进步。然而,由于普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场(通常需要的磁场强度是地磁场的几万倍甚至几十万倍),应用起来十分昂贵和困难;而且其体积庞大也不适合于个人电脑和便携式计算机。

1879
年,美国物理学家霍尔在研究金属的导电机制时发现,带电粒子在磁场中运动时会受到洛伦兹力的作用发生偏转,那么在磁场中的电流也有可能发生偏转。当电流垂直于外磁场通过半导体时,载流子发生偏转,在导体两端堆积电荷从而在导体内部产生电场,其方向垂直于电流和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力相平衡时,载流子不再偏转。而此时半导体的两端会形成电势差。

  “这是一个‘诺贝尔奖级’的科研成果。”10日,诺贝尔物理学奖获得者、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授这样评价中国科学家首次发现量子反常霍尔效应的科研成果。这个成果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所联合组成的实验团队完成。

  来自清华大学、中科院物理所的科学家团队首次实验观测到了“量子反常霍尔效应”。这一成果昨天在美国《科学》杂志发表。这一发现可被用于发展新一代低能耗晶体管和电子学器件,进而推动信息技术的进步。此前,整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应的发现者都分别获得了诺贝尔物理奖,而量子反常霍尔效应被认为可能是霍尔效应家族的最后一个重要成员。

而量子反常霍尔效应的最美妙之处就在于不需要任何外加磁场,人类有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件,从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题,因此,这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术革命的进程。

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量子反常霍尔效应让电子运动服从指挥,不乱跑乱撞,从而降低能耗

  2010年,中科院物理所的方忠、戴希理论团队与拓扑绝缘体理论的开创者之一、斯坦福大学的张首晟等合作,提出了实现量子反常霍尔效应的最佳体系。由清华大学的薛其坤、王亚愚、陈曦、贾金锋研究组,与中科院物理所的马旭村、何珂、王立莉研究组及吕力研究组组成的实验攻关团队与之合作,开始向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。经过近3年努力,终于发现在一定的外加栅极电压范围内,此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~
25800欧姆。

但反常霍尔效应的量子化对材料性质的要求非常苛刻,如同要求一个人同时具有短跑运动员速度、篮球运动员高度和体操运动员灵巧:材料能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态;材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应;材料体内必须为绝缘态从而只有一维边缘态参与导电。在实际材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度,而要同时满足这三点对实验物理学家来讲更是巨大挑战,正因为此,美国、德国、日本等科学家未取得最后成功。

其中运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力,即磁场对运动电荷的作用力。我们在中学都学习过左手定则的方法,将左手掌摊平,让磁感线穿过手掌心,四指表示正电荷运动方向,则和四指垂直的大拇指所指方向即为洛伦兹力的方向。但须注意,运动电荷是正的,大拇指的指向即为洛伦兹力的方向。反之,如果运动电荷是负的,仍用四指表示电荷运动方向,那么大拇指的指向的反方向为洛伦兹力方向。

  “一个直接的应用就是可能对未来电子学的新变革产生重大推动作用。”薛其坤介绍,电子在芯片里的运动基本上可以类比为高级跑车在集市中运动,它们在非常杂乱无章的环境下到处碰撞、改变方向,既走了弯路,也会造成发热,效率因而降低,这也是目前晶体管发热、电脑用久了发烫的重要原因之一。

  一位团队成员科学家告诉记者,他们的实验历经坎坷:首先他们生长了超过1000个样品,使之长出一层几纳米厚的薄膜,然后再掺进去铬离子,还要实现一个有序的铁磁状态,最终在极低温的装置上进行测量。据了解,由于量子反常霍尔效应的重大意义,近年来,美国、德国、日本的科学家都在做同样的事,竞争非常激烈。“依靠我们的优秀理论基础、艰苦实验、团结合作和百折不挠,我们走在了前面。”这位科学家向记者透露,昨天成果在《科学》杂志上发表后,已经有外国科学家向他们的中国同行表达了祝贺。至于这些中国科学家的自我庆祝方式,“就是彼此发了祝贺的电子邮件”。

自2009年起,清华大学薛其坤院士带领团队向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。四年来,团队生长和测量了1000多个样品,利用分子束外延的方法生长了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜,将其制备成输运器件并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。终于发现在一定的外加栅极电压范围内,此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~25800欧姆世界难题得以攻克。

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  在量子霍尔效应下,电子就像汽车行驶在高速公路上一样,在运动过程中碰到杂质障碍也会绕过后继续前行,而不是像普通条件下的电子那样因碰撞而改变方向并导致发热。这一特性对开发低能耗电子学器件有非常重要的作用。

  量子反常霍尔效应之所以如此重要,是因为这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用,无需高强磁场,就可以制备低能耗的高速电子器件,例如极低能耗的芯片——这意味着计算机未来可能更新换代。

“这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。”薛其坤院士强调说。

而载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒,如电子和离子。霍尔的发现后来被称为“霍尔效应”,这个电势差也被称为霍尔电势差。

  既然量子霍尔效应有这么大的意义,为什么一直得不到应用?

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延伸阅读

简单来说,霍尔效应它定义了磁场和感应电压之间的关系。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,磁场会对导体中的电子产生一个横向的作用力,从而在导体的两端产生电压差

  薛其坤介绍:实现霍尔效应需要外加磁场,强度要比地磁场强20万倍甚至更多,为此需要做一个至少冰箱大小的磁铁。试想,为了实现一张小芯片和集成电路的低能耗运行,却要配套一块巨大的磁铁,不具经济意义。但是如果在不外加磁场的情况下实现量子霍尔效应,即量子反常霍尔效应,就有可能推动新一代低能耗晶体管和电子学器件发展。如果量子反常霍尔效应得以应用,通过密度集成,即使千亿次的超级计算机都有望做成现在的平板电脑那么大。

霍尔效应:诺贝尔奖的富矿

霍尔效应与反常霍尔效应

虽然这个效应多年前就已经被人们知道并理解,但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用,直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同,霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器,广泛应用于电力系统中。

四年测量样品超过1000个,率先发现效应,占据信息技术革命制高点

  霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一个物理效应。在一个通有电流的导体中,如果施加一个垂直于电流方向的磁场,由于洛伦兹力的作用,电子的运动轨迹将产生偏转,从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压,这个电磁输运现象就是著名的霍尔效应。次年,霍尔又在磁性金属中发现了无需外部磁场的霍尔效应,称为反常霍尔效应。

霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一个物理效应。在一个通有电流的导体中,如果施加一个垂直于电流方向的磁场,由于洛伦兹力的作用,电子的运动轨迹将产生偏转,从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压,这个电磁输运现象就是着名的霍尔效应。产生的横向电压被称为霍尔电压,霍尔电压与施加的电流之比则被称为霍尔电阻。由于洛伦兹力的大小与磁场成正比,所以霍尔电阻也与磁场成线性变化关系。

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  要在实验上实现反常霍尔效应的量子化,需要拓扑绝缘体材料同时满足若干非常苛刻的条件。德国、日本、美国的科学家由于无法在材料中同时满足这些条件而未能实现。

  从那时起,霍尔效应就像一个富矿,一代又一代科学家为之着迷和献身,他们的成就也多次获得诺贝尔物理奖。

1880年,霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现,即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应,这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同,因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转。反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的,因此是一类新的重要物理效应。

霍尔效应示意图,作者Peo

  在过去近四年的时间里,团队测量了超过1000个样品,克服了重重障碍,一步步实现了对磁性掺杂拓扑绝缘体高质量薄膜的生长、表面电子态的观测,特别是对其电子结构、磁有序态和能带拓扑结构的精密调控。

  1980年左右,德国科学家冯•克利青发现了整数量子霍尔效应,获得1985年诺贝尔物理奖。

人们按照霍尔效应开发的各种霍尔元件被广泛应用于精密测磁、自动化控制、通信、计算机、航空航天等工业部门和国防领域。

  薛其坤领衔的团队用到了四五套世界上顶尖的精密的实验仪器,团队精诚合作,才完成了如此高难度的研究。

  1982年,美籍华人物理学家崔琦和施特默等发现了分数量子霍尔效应,这个效应不久由另一位美国物理学家劳弗林给出理论解释,他们三人荣获1998年诺贝尔物理奖。

按经典霍尔效应理论,霍尔电阻RH (RH=U/I=K. B/d= B/nqd)
应随B连续变化并随着n 的增大而减小,但是到了 1980
年,著名物理学家冯·克里津从金属-氧化物-半导体场效应晶体管发现了一种新的量子霍尔效应。他在硅MOSFET管上加两个电极,再把这个硅MOSFET管放到强磁场和极低温下,发现霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现了一系列平台,与这些平台相应的霍尔电阻Rh=h/,其中n是正整数1,2,3……。也就是说,这些平台是精确给定的,是不以材料、器件尺寸的变化而转移的。它们只是由基本物理常数h和e来确定。

  “要把一个事情做好,首先要看准一个目标,这样才能整合我们团队的精神,把事情做好。量子反常霍尔效应的发现把拓扑绝缘体的研究推向一个新的高潮,也是在量子霍尔效应系列里画了一个非常完美的句号,很可能是信息技术的下一次革命。中国科学家的确是为国家争夺了一个战略的制高点。”团队成员、拓扑绝缘领域的开创者之一、清华大学“千人计划”教授张首晟说。

  最近一次与霍尔效应有关的诺贝尔奖是2010年的诺贝尔物理奖。2005年,英国科学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,在常温下观察到量子霍尔效应。他们于2010年获诺奖。石墨烯这种“超薄的碳膜”厚度只有0.335纳米,是至今发现的厚度最薄和强度最高的材料。

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延伸阅读

  此外,量子化自旋霍尔效应于2007年被发现,2010年获得欧洲物理奖,2012年获得美国物理学会巴克利奖。

这被称为整数量子霍尔效应,后来科学家还发现了分数量子霍尔效应。

霍尔效应

  2013年3月15日,《科学》杂志在线发文,宣布薛其坤院士领衔的团队在实验上首次发现量子反常霍尔效应,而这被认为有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员。

当时,物理学者认为除了夸克一类的粒子之外,宇宙中的基本粒子所带的电荷皆为一个电子所带的电荷-e(e=1.6×10-19库伦)的整数倍。而夸克依其类别可带有±1e/3或±2e/3电荷。夸克在一般状况下,只能存在于原子核中,它们不像电子可以自由流动。所以物理学者并不期待在普通凝体系统中,可以看到如夸克般带有分数电子电荷的粒子或激发态。

  霍尔效应是美国物理学家霍尔于1879年发现的一个物理效应。在一个通有电流的导体中,如果施加一个垂直于电流方向的磁场,由于洛伦兹力的作用,电子的运动轨迹将产生偏转,从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压,这个电磁输运现象就是著名的霍尔效应。产生的横向电压被称为霍尔电压,霍尔电压与施加的电流之比则被称为霍尔电阻。由于洛伦兹力的大小与磁场成正比,所以霍尔电阻也与磁场成线性变化关系。

新闻解释

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反常霍尔效应

量子反常霍尔效应

但是在1982年,华人科学家崔琦和史特莫在二维电子系统中现了分数化的霍尔电阻平台。一开始是发现了⅓和⅔两个平台。之后他们制造出了更纯的样品,
更低的温度, 更强的磁场. 85mK 和 280kG,
这是人类第一次在实验室中实现如此低的温度和如此强的磁场(地磁场是 mG
的量级). 这样的实验技术令人叹为观止,他们也因此观察到了更加丰富的结构:
他们也因此观察到了更加丰富的结构。他们的发现由此被称为分数量子霍尔效应。

  1880年,霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现,即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应,这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同,因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转。反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的,因此是一类新的重要物理效应。

将为我们带来什么

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  与量子霍尔效应相关的发现之所以屡获学术大奖,是因为霍尔效应在应用技术中特别重要。人类日常生活中常用的很多电子器件都来自霍尔效应,仅汽车上广泛应用的霍尔器件就包括:信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器等。

量子霍尔效应示意图,来源:中国科普博览

  例如用在汽车开关电路上的功率霍尔电路,具有抑制电磁干扰的作用。因为汽车的自动化程度越高,微电子电路越多,就越怕电磁干扰。而汽车上有许多灯具和电器件在开关时会产生浪涌电流,使机械式开关触点产生电弧,产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路就可以减小这些现象。

冯·克里津获得1985年诺贝尔物理学奖,而崔琦和史特莫则获得了 1998
年诺贝尔奖。到了2005年,英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。他们俩在2005年发现了石墨烯中的半整数量子霍尔效应,斩获2010年的诺贝尔物理学奖。

  此次中国科学家发现的量子反常霍尔效应也具有极高的应用前景。量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场,因此至今没有广泛应用于个人电脑和便携式计算机上——因为要产生所需的磁场不但价格昂贵,而且体积大概要有衣柜那么大。而反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同,因为这里不存在外磁场对电子的洛伦兹力而产生的运动轨道偏转,反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的。

简单来说,量子霍尔效应一般都是在超低温和强磁场等极端条件下出现。在极端条件下,电子的偏转不再像普通霍尔效应中一样,而是变得更加剧烈并且偏转半径变得很小,仿佛就在导体内部围绕着某点转圈圈。也就是说,导体中间的部分电子被“锁住了”,要想导通电流只能走导体的边缘。

  如今中国科学家在实验上实现了零磁场中的量子霍尔效应,就有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件,从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题。这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用:无需高强磁场,就可以制备低能耗的高速电子器件,例如极低能耗的芯片,进而可能促成高容错的全拓扑量子计算机的诞生——这意味着个人电脑未来可能得以更新换代。

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量子霍尔效应与霍尔效应最大的不同之处在于横向电压对磁场的响应明显不同.
横向电阻是量子化的:

2018年12月18日,英国《自然》杂志刊登复旦大学物理学系修发贤课题组的最新研究成果《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》,这也是中国科学家首次在三维空间中发现量子霍尔效应。

后来,中国科技大学与其合作团队在《自然》刊登论文表示,他们通过实验验证了三维量子霍尔效应,并发现了金属-绝缘体的转换。他们发现,人们能够通过控制温度和外加磁场实现金属-绝缘体的转化。这种原理可以用来制造“量子磁控开关”等电子元器件。三维量子霍尔效应材料中的电子迁移率都很快,电子能快速传输和响应,在红外探测、电子自旋器件等方面拥有应用前景。再次,三维量子霍尔效应因具有量子化的导电特性,还能应用于特殊的载流子传输系统。

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这个时候,就要讲到量子反常霍尔效应了,因为霍尔效应实现量子化,有着两个极端苛刻的前提条件:一是需要十几万高斯的强磁场,而地球的磁场强度才不过0.5高斯;二是需要接近于绝对零度的温度。

在此背景下,科学家们又提出了一个设想:普通状态下的霍尔现象会出现反常,那么,量子化的霍尔现象是否也能出现反常?如果有,不是就可以解决外加高磁场的先决条件了吗?

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也就是说量子反常霍尔效应它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。在零磁场中就可以实现量子霍尔态,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。自1988年开始,就不断有理论物理学家提出各种方案,然而在实验上没有取得任何进展。

我们可以用一个简单的比喻,来说明量子霍尔效应和量子反常霍尔效应之间的关系,我们使用计算机的时候,会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。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。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则,让它们在各自的跑道上“一往无前”地前进。

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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,这不但体积庞大,而且价格昂贵,不适合个人电脑和便携式计算机。”而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场,在零磁场中就可以实现量子霍尔态,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

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2006年,
美国斯坦福大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应,并于2008年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向。2010年,我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作,提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等有多个世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应,但一直没有取得突破。因此量子反常霍尔现象也被称为物理学研究皇冠上的明珠。

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量子反常霍尔效应实现非常困难,需要精准的材料设计、制备与调控。尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径,但所需的材料和结构非常难以制备,因此在实验上进展缓慢。

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2009
年,薛其坤和他的团队也开始了对量子反常霍尔效应的攻坚之路,薛其坤在许多人的眼里,并不算是一个天才。

1963
年,薛其坤出生山东省沂蒙山区的一个小村庄,家里兄弟姐妹比较多。读小学、中学时,农村条件还相对落后,大人们都在为生计而努力。薛其坤也没有做什么物理学家的梦,只是有书读那就读。后来,国家恢复高考的消息传来,薛其坤觉得不能浪费这个机会,就开始用心备战高考。

1980
年,17岁的薛其坤考入山东大学光学系,之所以选择光学系也是因为老师推荐了这个专业,对什么专业都不懂的薛其坤依葫芦画瓢填了这个专业。1984年毕业的薛其坤开始边工作边考研,结果考了三次才考上中科院物理所。1990
年硕士毕业之后,结果又花了 7 年时间才拿到博士文凭。

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薛其坤有个外号,叫“7-11院士”。熟悉他的人都知道,早上7点进实验室,一直干到晚上11点离开,这样的作息,薛其坤坚持了20年。薛其坤认为自己既然不是“天才”,那就做个“笨人”吧。做好一个“笨人”,才是不容易的。

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从2009
年,薛其坤团队经过近5年的研究,从拓扑绝缘体材料生长初期的成功,再到后期克服实验中的重重难关,薛其坤团队付出了常人难以想象的努力。但实验最终的成功与否,还要看一个标志性实验数据——在零磁场中,能否让磁性拓扑绝缘体材料的霍尔电阻跳变到25813欧姆的量子电阻值。

他们生长测量了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。这是首次在实验上发现量子反常霍尔效应。

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2010年,课题组完成了对1纳米到6纳米(头发丝粗细的万分之一)厚度薄膜的生长和输运测量,得到了系统的结果,从而使得准二维超薄膜的生长测量成为可能。

2011年,课题组实现了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控,使得其体材料成为真正的绝缘体,去除了其对输运性质的影响。

2012年初,课题组在准二维、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。

2012年10月,课题组终于发现在一定的外加栅极电压范围内,此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2—25800欧姆——世界难题得以攻克。

课题组克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关,一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控,最终为这一物理现象的实现画上了完美的句号。

近5年艰苦卓绝的协同攻关,薛其坤团队克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关,一步步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控,最终为这一物理现象的实现画上了完美句号。

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《科学》杂志的一位审稿人说:“这项工作毫无疑问地证实了与普通量子霍尔效应不同来源的单通道边缘态的存在。我认为这是凝聚态物理学一项非常重要的成就。”另一位审稿人说:“这篇文章结束了多年来对无朗道能级的量子霍尔效应的探寻。这是一篇里程碑式的文章。”

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著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁称赞其是诺贝尔奖级的成绩。

这项成果具有极为重大的意义,在未来电子器件中发挥特殊的作用,如果能在实验上实现零磁场中的量子霍尔效应,我们就有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件,从而解决电脑发热问题和摩尔定律的瓶颈问题,将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术革命进程。

如果说半导体领域的规则制定来自于1958年杰克·基尔比成功研制出世界上第一块集成电路。而随着摩尔定律到达极限,量子反常霍尔效应的发现为下一次半导体领域的革命提供了理论基础。而我们也将更有可能掌握话语权。这项成果由此获得了有中国诺奖之称的国家自然科学奖一等奖,要知道,国家自然科学奖一等奖进入
21世纪之来,曾7 次空缺,就知道奖项的严格程度了。

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Chemical potential

量子反常霍尔效应的原理示意图:当化学势(chemical
potential)位于铁磁拓扑绝缘体的狄拉克点处打开的能隙内时,其零磁场的反常霍尔电导sxy
达到量子电导e2/h的数值并形成平台,而其纵向电导sxx变为0。

每每听到有人称赞量子反常霍尔效应的发现是多么了不起,薛其坤都会回一句,“这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”。在他看来,“团队协作、攻坚克难”的创新模式是拔得头筹的重要因素。

“建立新的科学理论、发现新的科学效应和科学规律是基础研究皇冠上的明珠。量子反常霍尔效应是一个基于全新物理原理的科学效应,是中华人民共和国成立以来我国独立观测到的不多的科学效应之一,是我国物理学工作者对人类科学知识宝库的一个重要贡献。”

量子反常霍尔效应,是薛其坤给全世界的诺奖级礼物,这份礼物将有可能带领人类进入新的时代。

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