微觀世界的運行由量子力學規律支配，會顯示出完全不同於宏觀世界的現象。當前，能夠在宏觀尺度顯示量子力學效應的量子材料是物理學、材料科學、電子學、量子信息等學科共同關注的焦點，有可能會推動材料、信息、能源等技術的革命性發展。剛剛落幕的國家科學技術獎勵大會上，由我國科學家薛其坤、王亞愚、何珂、馬旭村、呂力為代表的研究團隊完成的“量子反常霍爾效應的實驗發現”項目，獲得2018年度國家自然科學獎一等獎。

這項研究成果是世界物理學界近20年來最重要的實驗發現之一，成果將推動新一代低能耗晶體管和電子學器件的發展，可能加速推進信息技術革命的進程。

量子反常霍爾現象因何能成為物理學研究皇冠上的明珠？它的發現究竟具有怎樣的科學、社會、經濟意義？請聽項目負責人、中國科學院院士、清華大學副校長薛其坤怎麼說。

矛盾的研究

要實現反常霍爾效應量子化，所需要的實驗材料必須同時滿足3個幾乎相互矛盾的嚴苛條件，這幾乎是不可能完成的任務

如何讓量子霍爾效應出現反常？這是過去30多年裡，凝聚態物理和材料物理領域最具挑戰的實驗之一。因為，要實現這一目標，所需要的實驗材料必須同時滿足3個嚴苛條件。

簡單來說，就是要讓導體同時實現“磁性的”“拓撲的”“絕緣的”。而這3個條件之間常常是相互矛盾的，如果有磁性，做到絕緣不容易；相反如果絕緣，磁性很可能就消失了。“這就好比一個運動員，既要有速度又要有力量還要有技巧，這幾乎是不可能完成的任務。”清華大學物理系主任王亞愚說。

幸運的是，2006年，一種新型材料——拓撲絕緣體的出現，讓全球物理學家們看到了希望。

“拓撲絕緣體是一種新型量子材料，它的內部是絕緣的，但在它的邊界或表面總存在導電的邊緣態。”王亞愚解釋說。

這種神奇材料的構想最初是張首晟與美國另外兩位科學家共同提出的。後來，張首晟通過與中國科學院物理所和清華大學的合作，把拓撲絕緣體研究帶到了中國。

2009年，張首晟團隊提出了將Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3摻入3d磁性元素，實現磁性拓撲絕緣體的方案，並做了具體的解析計算。隨後，張首晟又與方忠、戴希開展合作，認證了該系統乃是磁性拓撲絕緣體，是實現量子反常霍爾效應的理想材料。

這一系列的理論工作，引起了國內外實驗物理學家的廣泛關注。從此，一場轟轟烈烈的國際競賽開始了。

但是，要想真正在實驗室製作出理想的拓撲絕緣體材料，是一個世界級的科學難題。薛其坤解釋說，實驗要求做出高純度的單晶材料，100萬個原子中最多只允許出現一個雜質。而且，實驗要求做出極其平整的拓撲絕緣體，材料只能是5納米（1納米等於百萬分之一毫米）厚，表面凹凸1納米都不行。

當時，國際上已有多支頂尖團隊開展相關研究，而薛其坤團隊在人員、資金、經驗方面都不佔優勢。在此情況下，薛其坤作為團隊負責人展現出一名科學家應有的沉著冷靜——他對團隊成員進行了合理分工：自己帶隊去研究製作高質量的拓撲絕緣體薄膜，王亞愚則負責反常霍爾效應的測量。

在拓撲絕緣體研究初期，薛其坤敏銳地意識到，拓撲絕緣體材料的生長動力學與自己長期從事的砷化鎵研究具有非常類似的地方。材料的生長動力學是描述如何從一個個原子的反應最後形成一個宏觀晶體材料的過程。因此，只有掌握了材料的生長動力學，才能精確控製材料的生長，進而精確控製材料的質量。

在團隊成員共同努力下，僅用了三四個月，他們就在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的分子束外延生長動力學，實現了對樣品生長過程原子水平上的精確控制。這也幫助成功研製磁性拓撲絕緣體薄膜邁出了重要堅實的一步。

完美的成果

在1881年發現反常霍爾效應100多年後，中國科學家終於實現了其量子化——而且實驗結果乾淨漂亮，數據完美得幾乎不可思議

生長、測量、反饋、調整……從2009年開始，團隊圍繞磁性拓撲絕緣體材料的研製，開啟了不厭其煩地重複。

團隊成員馬旭村回憶，實驗組總共做了超過1000次磁性摻雜的樣品測量。而在生長階段就失敗而沒拿去測量的樣品，根本沒人統計過。“順利時，一周能做出5塊樣品；不順利時，一個月也做不出來一塊。”

歷經不斷探索和磨合，團隊最終找到了一條合理的技術路線。“這在很大程度上得益於樣品生長和輸運測量研究組的緊密合作。團隊成員幾乎每天都通過郵件和電話交流實驗結果，每2至3週會開展一次充分討論，分析實驗的所有細節，並製訂下一步詳盡計劃。”團隊成員何珂說。

功夫不負有心人。2010年，團隊完成了對1納米到6納米厚度薄膜的生長和​​輸運測量，得到了系統的結果，從而使得準二維拓撲絕緣體的製備和輸運測量成為可能。2011年，團隊實現了對拓撲絕緣體能帶結構的精密調控，使其成為真正的絕緣體，去除了體內電子對輸運性質的影響。2011年底，團隊在準二維、體絕緣的拓撲絕緣體中實現了自髮長程鐵磁性，並利用外加柵極電壓對其電子結構進行了精密調控——至此，量子反常霍爾效應所需要的3個實驗材料苛刻條件終於全部實現！

從拓撲絕緣體材料生長初期的成功，再到後期克服實驗中的重重難關，薛其坤團隊付出了常人難以想像的努力。但實驗最終的成功與否，還要看一個標誌性實驗數據——在零磁場中，能否讓磁性拓撲絕緣體材料的霍爾電阻跳變到25813歐姆的量子電阻值。

奇蹟出現在2012年10月的一個晚上。薛其坤收到學生的短信：他們在實驗中發現了量子反常霍爾效應的跡象！

至今，薛其坤仍然清晰記得當時激動的心情。他當下組織團隊人員設計出幾套方案，部署好下一步實驗。一向嚴謹的薛其坤明白，一次的測量結果並不能說明問題，需要多次重複實驗。為確認看到的跡象就是量子反常霍爾效應，薛其坤邀請中國科學院物理所的呂力實驗組加入到最後階段的衝刺——他們的稀釋製冷機可以把實驗溫度降到30mk（比絕對零度高0.03 ℃）。

實驗數據不停跳動著，10000、20000、25813！數據停住了！材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到量子電阻（h/e2~25813歐姆）的數值並形成一個平台，同時縱向電阻急劇降低並趨近於零，這是量子反常霍爾效應的特徵性行為。

這是見證奇蹟的時刻——在美國物理學家於1881年發現反常霍爾效應100多年後，人類終於實現了其量子化！而且實驗結果如此乾淨漂亮，數據完美得幾乎不可思議。

4年多艱苦卓絕的協同攻關，薛其坤團隊克服薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關，一步步實現了對拓撲絕緣體的電子結構、長程鐵磁序以及能帶拓撲結構的精密調控，最終為這一物理現象的實現畫上了完美句號。

“建立新的科學理論、發現新的科學效應和科學規律是基礎研究皇冠上的明珠。量子反常霍爾效應是一個基於全新物理原理的科學效應，是中華人民共和國成立以來我國獨立觀測到的不多的科學效應之一，是我國物理學工作者對人類科學知識寶庫的一個重要貢獻。”薛其坤說。

文/常理（原標題：揭秘國家自然科學獎一等獎獲獎項目“量子反常霍爾效應的實驗發現”——攻克量子世界制高點）