我國(guó)迷信家發(fā)明量子變態(tài)霍爾效應(yīng)背地的故事

2014-08-07 10:35 來(lái)源：http://m.sustainablelifeonearth.com/ 閱讀：次

　　2008年10月15日，薛其坤院士明白地記得這個(gè)日子。在課題組例行的組會(huì)上，學(xué)生在做文獻(xiàn)交換時(shí)先容了拓?fù)浣^緣體的概念以及相干研究結(jié)果。從此，“拓?fù)浣^緣體”走進(jìn)了薛其坤院士的視線。

　　在凝聚態(tài)物理的研究中，量子霍爾效應(yīng)占領(lǐng)著極其重要的地位，此前在這方面的重要工作包含——

　　薛其坤院士強(qiáng)調(diào)，真正的科學(xué)發(fā)現(xiàn)是為人類增添新常識(shí)，所以研究需要很長(zhǎng)的過(guò)程，需要多年專業(yè)的訓(xùn)練和積累，也需要一批經(jīng)由嚴(yán)厲練習(xí)的專業(yè)選手來(lái)攻關(guān)。“重大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是對(duì)人類的智慧的一個(gè)宏大挑戰(zhàn)，這對(duì)研究團(tuán)隊(duì)的科研素養(yǎng)和積聚、對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平請(qǐng)求非常高。我們的團(tuán)隊(duì)成員在各自的領(lǐng)域都是一流的‘專業(yè)選手’，我們的研究團(tuán)隊(duì)具備了國(guó)際領(lǐng)先的水平。”

　　薛其坤團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先樹立了拓?fù)浣^緣體薄膜的分子束外延成長(zhǎng)能源學(xué)，并長(zhǎng)出了高品質(zhì)的薄膜。從這一天起，他們就在世界上當(dāng)先，并且始終將這個(gè)上風(fēng)堅(jiān)持下去，直至終極得到完善的實(shí)驗(yàn)成果。

消息背景

　　最終數(shù)據(jù)出來(lái)的那天，薛其坤帶了兩瓶香檳酒，與團(tuán)隊(duì)成員一起合影，留下這可貴的回想。那是2012年10月，離2008年10月實(shí)驗(yàn)開(kāi)始已整整4年。

　　□石墨烯中的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（2005年發(fā)現(xiàn)，2010年諾貝爾物理獎(jiǎng)）；

　　在當(dāng)今信息社會(huì)，半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展，但電腦運(yùn)行中熱量如何披發(fā)成為困擾半導(dǎo)體和信息工業(yè)發(fā)展的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。而量子反�；魻栃�(yīng)的發(fā)現(xiàn)將有望解決這一困難。因?yàn)檫@一效應(yīng)可能在將來(lái)電子器件中施展特別作用，可用于制備低能耗的高速電子器件�？茖W(xué)家可使電子在不需要強(qiáng)磁場(chǎng)的情形下，依照固定軌跡活動(dòng)，減少電子無(wú)規(guī)矩碰撞導(dǎo)致的發(fā)燒和能量損耗。通過(guò)密度集成，未來(lái)計(jì)算機(jī)的體積也將大大縮小，千億次的超級(jí)盤算機(jī)有望做成現(xiàn)在的iPad那么大。因而，這一科研成果的利用遠(yuǎn)景非常遼闊。

　　三維拓?fù)浣^緣體的理論預(yù)言和高質(zhì)量拓?fù)浣^緣體薄膜的分子束外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)及電子態(tài)研究等系列成果在國(guó)際學(xué)術(shù)界引起了普遍的關(guān)注，并以總得票排名第一入選了“2010年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。

　　材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)描寫的是如何從一個(gè)個(gè)原子的反映最后造成一個(gè)宏觀樣品的過(guò)程，只有把握了材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，才干精確地節(jié)制材料的生長(zhǎng)。從1992年攻讀博士學(xué)位起，薛其坤就一直從事薄膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的體系研究，至今已經(jīng)累積了20余年的教訓(xùn)，并已失掉兩項(xiàng)國(guó)度做作科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

　　——2010年，他們實(shí)現(xiàn)了對(duì)1納米到6納米（頭發(fā)絲粗細(xì)的萬(wàn)分之一）厚度薄膜的生長(zhǎng)和輸運(yùn)測(cè)量，得到了系統(tǒng)的結(jié)果，從而使得準(zhǔn)二維拓?fù)浣^緣體的制備和輸運(yùn)測(cè)量成為可能；

　　“為什么別國(guó)沒(méi)有成功而在中國(guó)取得成功，這與中國(guó)整個(gè)科研體系有關(guān)，同時(shí)與人文關(guān)聯(lián)有很大影響，值得研究。這是一件大喜事。”楊振寧傳授說(shuō)。量子反�；魻栃�(yīng)這個(gè)重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)證實(shí)，中國(guó)科學(xué)家的科學(xué)素養(yǎng)、研究水溫和對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的掌握，已經(jīng)與國(guó)際進(jìn)步水平接軌。在中國(guó)加大投入基礎(chǔ)科學(xué)研究20年后，中國(guó)科學(xué)界已經(jīng)具備一批國(guó)際水平的科學(xué)家，可以向世界科學(xué)領(lǐng)域“亮劍”。

——我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)量子反�；魻栃�(yīng)背地的故事

　　□量子化自旋霍爾效應(yīng)（2007年發(fā)現(xiàn)，2010年歐洲物理獎(jiǎng)，2012年美國(guó)物理學(xué)會(huì)巴克利獎(jiǎng)）。

　　量子反�；魻栃�(yīng)是在此范疇的又一個(gè)重大進(jìn)展，有可能是量子霍爾效應(yīng)家族的最后一個(gè)主要成員。

　　接下來(lái)的幾天里，團(tuán)隊(duì)成員們用“誠(chéng)惶誠(chéng)恐”來(lái)形容當(dāng)時(shí)本人的心境。謹(jǐn)嚴(yán)的迷信精力告知他們，一次結(jié)果并不能闡明問(wèn)題，他們須要用不同的樣品做屢次反復(fù)實(shí)驗(yàn)。

　　量子反�；魻栃�(yīng)是一個(gè)全新的量子效應(yīng)，由于其存在不需要外加磁場(chǎng)，因此在運(yùn)用方面比此前發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)要便利得多，可以推進(jìn)新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，解決電腦發(fā)熱等問(wèn)題。因此從實(shí)踐研究和實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子反�；魻栃�(yīng)，成為世界凝集態(tài)物理學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　□分?jǐn)?shù)目子霍爾效應(yīng)（1982年發(fā)現(xiàn)，1998年諾貝爾物理獎(jiǎng)）；

　　就這樣，團(tuán)隊(duì)成員在從前的4年里共生長(zhǎng)和測(cè)量了超過(guò)1000個(gè)樣品，并通過(guò)一次次的生長(zhǎng)、測(cè)量、反饋、調(diào)劑，爭(zhēng)奪在每一步都做到極致。工夫不負(fù)有心人，一個(gè)個(gè)沖動(dòng)人心的成果相繼而來(lái)：

　　——2011年，他們實(shí)現(xiàn)了對(duì)拓?fù)浣^緣體能帶構(gòu)造的精細(xì)調(diào)控，使其成為真正的絕緣體，去除了體內(nèi)電子對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響；

　　“最開(kāi)始的時(shí)候不要說(shuō)量子化的反�；魻栃�(yīng)，就連這些材料在分開(kāi)超高真空的生長(zhǎng)環(huán)境后，我們是否獲得牢靠的輸運(yùn)數(shù)據(jù)都沒(méi)有掌握。”王亞愚說(shuō)。然而，恰是薛其坤團(tuán)隊(duì)在高質(zhì)量樣品生長(zhǎng)方面的深沉基礎(chǔ)，特別是薛其坤院士自己在樣品生長(zhǎng)關(guān)鍵技術(shù)方面的具體指點(diǎn)，使得他們?cè)诮⒘送負(fù)浣^緣體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，最終戰(zhàn)勝了重重艱苦。

　　實(shí)驗(yàn)順利地進(jìn)行著，25800歐姆，所有人等待著這個(gè)標(biāo)記性的數(shù)值，然而不人曉得神秘的微觀世界畢竟會(huì)產(chǎn)生什么，之前一直做不到25800這個(gè)數(shù)值，然而當(dāng)初假如超過(guò)了怎么辦？數(shù)據(jù)不停地跳動(dòng)著，10000、20000、25800！數(shù)據(jù)愣住了！材料在零磁場(chǎng)中的反�；魻栯娮柽_(dá)到量子電阻的數(shù)值并構(gòu)成一個(gè)平臺(tái)，同時(shí)縱向電阻急劇下降并趨近于零，這是量子化反�；魻栃�(yīng)的特點(diǎn)性行動(dòng)。

　　在凝聚態(tài)物理中，量子霍爾效應(yīng)盤踞著極其重要的地位。整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分辨于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這次中國(guó)科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的量子反�；魻栃�(yīng)，被認(rèn)為可能是量子霍爾效應(yīng)家族最后一個(gè)有待實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的成員。為了實(shí)現(xiàn)這一基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的重大沖破，薛其坤院士和他的團(tuán)隊(duì)整整花了4年時(shí)光。

　　在諾貝爾物理獎(jiǎng)取得者、清華大學(xué)高級(jí)研究院聲譽(yù)院長(zhǎng)楊振寧教學(xué)看來(lái)，薛其坤院士領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)獲得的，是“諾貝爾級(jí)別的科研成果”。

　　物理在人類的生涯中無(wú)處不在，而重大的實(shí)驗(yàn)物理發(fā)現(xiàn)可以讓人類意識(shí)和控制天然界的法則，從而推動(dòng)聽(tīng)類社會(huì)的提高。

　　薛其坤院士以為，這一科研發(fā)現(xiàn)在很大水平上得益于最近20年中國(guó)對(duì)基本研究的器重和鼎力投入。從2005年到2007年，時(shí)任清華大學(xué)物理系主任的朱邦芬院士先后引進(jìn)了薛其坤、陳曦、王亞愚3位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，并通過(guò)各種道路給他們發(fā)明盡量好的工作前提。中科院物理所也為馬旭村引導(dǎo)的名義物理研究組和呂力領(lǐng)導(dǎo)的極低溫輸運(yùn)研究組供給了鼎力支撐。這些科學(xué)家每個(gè)人都在各自的領(lǐng)域做到了世界領(lǐng)先水平，并緊密合作，最終實(shí)現(xiàn)了量子反�；魻栃�(yīng)這樣的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

來(lái)源：中國(guó)教導(dǎo)報(bào) 2013 *** 4 *** 11 唐景莉

以科學(xué)家靈敏的目光鎖定至高目的

成果應(yīng)用前景廣闊

　　——2011年底，他們?cè)跍?zhǔn)二維、體絕緣的拓?fù)浣^緣體中實(shí)現(xiàn)了自發(fā)長(zhǎng)程鐵磁性，并應(yīng)用外加?xùn)艠O電壓對(duì)其電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位精密調(diào)控，一步一步靠近奇跡呈現(xiàn)的時(shí)刻。

　�。ú牧掀鹪矗呵迦A大學(xué)、中國(guó)科技網(wǎng)）

　　130多年前，美國(guó)物理學(xué)家霍爾先后發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)。在一個(gè)通有電流的導(dǎo)體中，如果施加一個(gè)垂直于電流方向的磁場(chǎng)，由于洛倫茲力的作用，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的導(dǎo)體兩端發(fā)生電壓，這個(gè)電磁輸運(yùn)現(xiàn)象就是有名的霍爾效應(yīng)。而不加外磁場(chǎng)也可以觀測(cè)到霍爾效應(yīng)，這種零磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)就是霍爾反常效應(yīng)。

攻克量子世界的制高點(diǎn)

　　剛好在這個(gè)要害的時(shí)刻，張首晟作為&ldquo,清華大學(xué)培訓(xùn)班;千人打算”學(xué)者受聘于清華大學(xué)，自此與薛其坤團(tuán)隊(duì)開(kāi)端了緊密的合作研究。他們決議把研究的重點(diǎn)放在量子反�；魻栃�(yīng)上，由于這無(wú)疑是拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域最具影響力的工作。

　　3月18日，在范圍巨大的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，清華大學(xué)薛其坤院士成了焦點(diǎn)人物——許多華人科學(xué)家和相熟的本國(guó)學(xué)者紛紜走到他眼前向他表現(xiàn)慶祝。這些都源于今年3月15日《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)表文章，發(fā)布由薛其坤院士領(lǐng)銜的清華大學(xué)物理系和中科院物理所結(jié)合組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，從實(shí)驗(yàn)上首次發(fā)現(xiàn)量子反�；魻栃�(yīng)，這意味著量子霍爾效應(yīng)物理領(lǐng)域一個(gè)期待已久的重要景象已經(jīng)被中國(guó)科學(xué)家率先觀測(cè)到。

　　現(xiàn)在，這個(gè)出生于中國(guó)本土的優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)依然在為量子反常霍爾效應(yīng)的應(yīng)用前景而斗爭(zhēng)著。薛其坤表示：“任何一個(gè)現(xiàn)象從原感性的發(fā)現(xiàn)走到應(yīng)用，都需要不同領(lǐng)域的科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)界的共同努力，我們也會(huì)與更多的人合作將這個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮光大，推動(dòng)它向應(yīng)用的發(fā)展。”

　　為了在劇烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中懷才不遇，薛其坤院士對(duì)團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行了合理的分工。因?yàn)楦哔|(zhì)量的材料是實(shí)現(xiàn)這一量子效應(yīng)的關(guān)鍵，薛其坤親自擔(dān)負(fù)樣品生長(zhǎng)的總負(fù)責(zé)人，并指定由中科院物理所馬旭村研究組的何珂率領(lǐng)幾位研究生詳細(xì)進(jìn)行。反常霍爾效應(yīng)測(cè)量則由清華大學(xué)物理系的王亞愚負(fù)責(zé)。當(dāng)時(shí)何珂剛進(jìn)入物理所工作，王亞愚在清華的輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)室也剛剛搭建調(diào)試結(jié)束。兩個(gè)年青人對(duì)可能負(fù)責(zé)這樣重大的研究課題覺(jué)得無(wú)比高興，然而在研究中碰到的挑釁也給他們帶來(lái)很大的壓力。

名詞說(shuō)明

　　“我們很榮幸有一批優(yōu)秀的研究生。”王亞愚說(shuō)，“他們不僅工作勤懇，而且因?yàn)樗季S沒(méi)有受到約束，在研究過(guò)程中常常會(huì)提出一些讓我們驚奇的奇思妙想。”實(shí)驗(yàn)的良多癥結(jié)步驟，都是學(xué)生們?cè)谠敿?xì)的工作和彼此的探討中探索出來(lái)的。“在這個(gè)研究過(guò)程中，我們和學(xué)生是一起成長(zhǎng)的。”王亞愚說(shuō)。

中國(guó)優(yōu)良科研團(tuán)隊(duì)向世界“亮劍”

　　然而，全部團(tuán)隊(duì)沒(méi)有廢棄，而是抉擇獨(dú)辟蹊徑，最終找到了一條現(xiàn)在看來(lái)十分公道的技巧路線。這在很大程度上得益于樣品生長(zhǎng)和輸運(yùn)丈量研究組的緊密合作，團(tuán)隊(duì)成員簡(jiǎn)直天天都通過(guò)郵件和電話交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，每隔兩三周都會(huì)進(jìn)行一次充足的討論，剖析實(shí)驗(yàn)的所有細(xì)節(jié)，制訂詳盡的下一步規(guī)劃。“我們這些有不同特長(zhǎng)、不同性情、不同思路的研究人員為了一個(gè)獨(dú)特的目標(biāo)而盡力，相互交流，互相增進(jìn)，是取得成功的關(guān)鍵。”何珂說(shuō)。

　　固然材料生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)這一關(guān)鍵問(wèn)題得以解決，但這并不象征著接下來(lái)的工作就是一片坦途。

霍爾效應(yīng)

見(jiàn)證奇跡的時(shí)刻

　　拓?fù)浣^緣體這個(gè)凝聚態(tài)物理中的新領(lǐng)域是由斯坦福大學(xué)的張首晟教授與來(lái)自美國(guó)和德國(guó)的另外兩位科學(xué)家共同首創(chuàng)的。張首晟教授和薛其坤院士深摯的友情和緊密的交流使他們意識(shí)到，這是一個(gè)非常值得在中國(guó)進(jìn)行深刻探索的領(lǐng)域。從那時(shí)起，他們就開(kāi)展了對(duì)拓?fù)浣^緣體中離奇量子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。在一年多的時(shí)間內(nèi)，他們與清華大學(xué)物理系的陳曦和賈金鋒教授，以及中科院物理所的馬旭村研究員合作，在拓?fù)浣^緣體的樣品生長(zhǎng)和原位電子態(tài)研究方面取得一系列舉世矚目標(biāo)成果。爾后，他們瞄準(zhǔn)了更高更難的目標(biāo)：在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子反�；魻栃�(yīng)，也就是零磁場(chǎng)中的量子霍爾效應(yīng)。

　　□整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（1980年發(fā)現(xiàn)，1985年諾貝爾物理獎(jiǎng)）；

　　2012年10月的一個(gè)晚上，薛其坤院士收到學(xué)生的短信，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)明了量子變態(tài)霍爾效應(yīng)的跡象。當(dāng)晚薛其坤即時(shí)組織團(tuán)隊(duì)職員，設(shè)計(jì)出多少套計(jì)劃，安排好了下一步的試驗(yàn)，特殊是跟中科院物理所呂力研討組配合，將實(shí)驗(yàn)推動(dòng)到瀕臨相對(duì)零度的極低溫。

　　“這項(xiàng)成果是我們團(tuán)隊(duì)精誠(chéng)合作，聯(lián)合攻關(guān)的共同成果，是中國(guó)科學(xué)家的群體聲譽(yù)。”薛其坤、張首晟、方忠等都重復(fù)向記者強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。

　　在拓?fù)浣^緣體研究的初期，薛其坤就敏銳地意識(shí)到，拓?fù)浣^緣體材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)與自己長(zhǎng)期從事的砷化鎵研究有異常相似的處所。于是，他敏捷制定了實(shí)驗(yàn)方案——按照生長(zhǎng)砷化鎵的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先建立起拓?fù)浣^緣體材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。

　　歷史將這一時(shí)刻定格——在美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1880年發(fā)現(xiàn)反�；魻栃�(yīng)133年后，人類終于實(shí)現(xiàn)了其量子化！實(shí)驗(yàn)結(jié)果如斯清潔美麗，數(shù)據(jù)完美得不堪設(shè)想，讓每位成員都感慨“真是見(jiàn)證奇觀的時(shí)刻”。

量子霍爾效應(yīng)研究已三獲諾貝爾獎(jiǎng)

　　在薛其坤的親身領(lǐng)導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)僅用三四個(gè)月，就在國(guó)際上率先建破了拓?fù)浣^緣體薄膜的分子束外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品生長(zhǎng)進(jìn)程在原子水平上的準(zhǔn)確把持，使得薄膜樣品的質(zhì)量很快到達(dá)了國(guó)際領(lǐng)先程度。“能夠說(shuō)就是從建立起這類材料的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的這一天起，咱們就奠定了在這項(xiàng)研究中的領(lǐng)先位置。”薛其坤說(shuō)。

嚴(yán)密協(xié)作尋求極致通往勝利之路

資料生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)成為實(shí)驗(yàn)成功的制勝兵器

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