國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)薛其坤團(tuán)隊(duì)  許德剛攝

1月8日，2018年度國(guó)家科技獎(jiǎng)揭曉。由清華大學(xué)物理系和中國(guó)科學(xué)院物理研究所的科研人員組成的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，因成功在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，獲得2018年度國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。

“天道酬勤。”接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)，薛其坤用一口山東味的普通話吐露這一樸實(shí)的心聲。這也是該團(tuán)隊(duì)多年來追夢(mèng)電子“高速公路”的真實(shí)寫照。

目標(biāo)鎖定電子“高速公路”

要弄清楚什么量子反�；魻栃�應(yīng)，要從普通人的切身體驗(yàn)說起。你大概經(jīng)常遇到這樣的問題——手機(jī)或電腦用上一段時(shí)間就會(huì)發(fā)熱，用不到一天就得充電，越用越卡……

在物理學(xué)家看來，這個(gè)問題的本質(zhì)在于電子運(yùn)動(dòng)會(huì)消耗能量。這不僅是制造算力要求高的電子器件的限制，也是科學(xué)界長(zhǎng)期關(guān)注的難題。

要讓電子運(yùn)動(dòng)絕對(duì)無能耗，就必須將其雜亂無章的運(yùn)動(dòng)變成“高速公路”一樣的有序運(yùn)動(dòng)。對(duì)電子運(yùn)動(dòng)制定規(guī)則的“量子霍爾效應(yīng)”成為解決這個(gè)問題的希望。但由于實(shí)現(xiàn)“量子霍爾效應(yīng)”需要龐大的外加磁場(chǎng)，成本高昂，因此無磁場(chǎng)的“量子反常霍爾效應(yīng)”成為科學(xué)家的夢(mèng)想。

“研究量子反常霍爾效應(yīng)是科學(xué)發(fā)展中自然的選擇，這也是學(xué)術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。”薛其坤告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者。1994年，薛其坤在物理所獲得博士學(xué)位，并于1999年從日本留學(xué)歸國(guó)后入選中科院“百人計(jì)劃”加盟物理所，直到2005年調(diào)入清華大學(xué)。

基于團(tuán)隊(duì)在拓?fù)湮飸B(tài)領(lǐng)域積累的經(jīng)驗(yàn)，薛其坤踏上尋找“量子反�；魻栃�應(yīng)”的征途。

“千里挑一”和“步步為營(yíng)”

在理論上，實(shí)現(xiàn)“量子反�；魻栃�應(yīng)”所需材料的條件非�？量�。近幾年“火”起來的拓?fù)浣^緣體，給薛其坤團(tuán)隊(duì)提供了思路。

2009年，科學(xué)家從理論上預(yù)言了碲化鉍（Bi₂Te₃）能夠?qū)崿F(xiàn)“量子反霍爾效應(yīng)”。隨后，中科院物理所研究人員從理論上提出Cr或Fe磁性離子摻雜的碲化鉍等拓?fù)浣^緣體薄膜是實(shí)現(xiàn)量子反�；魻栃�應(yīng)的最佳體系，預(yù)言在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體材料中可真正觀察到“量子反�；魻栃�應(yīng)”。

基于上述預(yù)言，薛其坤團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)、中科院物理所、斯坦福大學(xué)的研究者合作，對(duì)量子反�；魻栃�應(yīng)的實(shí)驗(yàn)開始了“大浪淘沙”的攻關(guān)。在物理所學(xué)習(xí)和工作期間，薛其坤主要開展了分子束外延生長(zhǎng)及高質(zhì)量薄膜制備的實(shí)驗(yàn)，調(diào)入清華大學(xué)工作后仍與物理所研究團(tuán)隊(duì)保持著密切合作。

研究團(tuán)隊(duì)共生長(zhǎng)測(cè)量了超過1000個(gè)樣品，可謂“千里挑一”。隨后，他們一步一步實(shí)現(xiàn)了對(duì)拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)程鐵磁序以及能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，與當(dāng)時(shí)在物理所工作的何珂、馬旭村充分醞釀，利用分子束外延方法生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的Cr摻雜碲化鉍拓?fù)浣^緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運(yùn)測(cè)量裝置上成功地觀測(cè)到了“量子反�；魻栃�應(yīng)”。

2013年，這項(xiàng)成果在《科學(xué)》（Science）上在線發(fā)表。“這是一篇里程碑式的文章。”《科學(xué)》審稿人對(duì)文章給予了高度評(píng)價(jià)。

其中，中科院物理所崔琦實(shí)驗(yàn)室完成了對(duì)這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的極低溫電輸運(yùn)測(cè)量，獲得了量子反�；魻栃�應(yīng)的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。該實(shí)驗(yàn)室主任呂力對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者表示：“六年多前，我受薛其坤邀請(qǐng)，和當(dāng)時(shí)的博士研究生沈潔一起，有幸參與了這一實(shí)驗(yàn)，并最終在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了反�；魻栃�應(yīng)的完全量子化。”

據(jù)了解，該實(shí)驗(yàn)室于2006年成立，掌握著國(guó)際領(lǐng)先的極低溫輸運(yùn)測(cè)量技術(shù)。其創(chuàng)始人崔琦就曾因發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，獲得了1998年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

“這次以崔琦先生名字命名的實(shí)驗(yàn)室能夠參與到量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這一工作中來，不失為拓?fù)淞孔游飸B(tài)研究方面的一段佳話，也是得益于不同單位科學(xué)家之間的通力合作。”呂力表示。

小目標(biāo)和大夢(mèng)想

回首多年來的探索與研究，薛其坤認(rèn)為，數(shù)年如一日的堅(jiān)守“大夢(mèng)想”的背后離不開團(tuán)隊(duì)成員對(duì)于科學(xué)“小目標(biāo)”的追求。

“我們每天都會(huì)為實(shí)驗(yàn)制定詳細(xì)的計(jì)劃。”接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》專訪時(shí)，薛其坤說。例如，對(duì)不同溫度下反應(yīng)結(jié)果的觀測(cè)，這看起來是一個(gè)小目標(biāo)，但每提高或降低一度都可能意味著重大的新發(fā)現(xiàn)。

“最困難的是發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題，如果無論升高或降低溫度都無法解決問題，可能就需要重新分析并開展其他實(shí)驗(yàn)。”

正是計(jì)劃中的這些“小目標(biāo)”，讓他們對(duì)科學(xué)保持著持久的熱忱與動(dòng)力。

薛其坤透露，目前團(tuán)隊(duì)已將量子反�；魻栃�應(yīng)的觀測(cè)溫度從30mk提升到1K，實(shí)現(xiàn)了30倍的增長(zhǎng)。

展望未來，薛其坤表示，量子反�；魻栃�應(yīng)可以用于發(fā)展新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件，克服芯片發(fā)熱和能量損耗問題，加速信息技術(shù)革命進(jìn)程，但距離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段路要走。

不積跬步，無以至千里。薛其坤稱，未來將帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)踏實(shí)走好每一小步，實(shí)現(xiàn)大目標(biāo)。“這是合格的科研工作者應(yīng)有的態(tài)度”。他強(qiáng)調(diào)。