量子反常霍尔效应与材料物理学

    【科学向未来】

编者按

    国家自然科学奖一等奖是我国自然科学领域的最高奖项，主要奖励在基础研究和应用基础研究领域获得重大突破的科学家。由于该奖项评选严格，在历史上曾多年空缺。1月8日，由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中国科学院物理所联合组成的实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”项目获2018年度国家自然科学奖一等奖。薛其坤教授领衔的科研团队在世界上首次在实验上观测到量子反常霍尔效应，实现了这一基础科学领域的重大突破。薛其坤教授表示，材料生长动力学奠定了他们的研究基础。本期特邀薛其坤院士介绍量子反常霍尔效应发现实验的过程以及背后的材料物理学研究。

    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，是我国独立观测到的为数很少的科学效应之一，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。

    面对这项世界级的实验难题，我们科研团队的每一位成员不辱使命、敢为人先、挑战极限、挑战自我、追求极致，严谨求实的科学精神和科研作风是我们取得成功的法宝。具体来说，量子反常霍尔效应的实验发现是清华大学“双一流大学”建设征程中在科研方面的一个标志性成果，也标志着我国拓扑量子物理的实验研究居世界领先地位。而材料生长动力学研究奠定了这个发现的基础，从建立起拓扑绝缘材料的生长动力学机制的那一天起，我们就奠定了在这项研究的世界领先地位。

1、建立起拓扑绝缘体材料的生长动力学是实验关键的一步

    量子反常霍尔效应，对普通人来说，拗口而晦涩。但在物理学家眼中，它神奇又美妙。量子霍尔效应在凝聚态物理中占据着极其重要的地位。整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的实验发现分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。

    量子反常霍尔效应意味着在零磁场中，霍尔电阻跳变到约25800欧姆的量子电阻值。要实现这一不可思议的量子现象，所需要的实验材料必须同时满足三项非常苛刻的条件：材料的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；材料的体内必须为绝缘态，从而对导电没有任何贡献。这就如同要求一个人同时具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度和体操运动员的灵巧，其难度可想而知。

    在实际的实验材料中要同时满足这三点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战，美国、德国、日本等国的一流科学家由于无法在材料中同时满足这三点，而未取得最后的成功。为了在激烈的国际竞争中脱颖而出，我们团队成员进行了合理分工。

    高质量的材料是实现这一量子效应的关键，我担任样品生长的总负责，并指定马旭村研究组的何珂带领几位研究生具体进行。反常霍尔效应测量则由清华大学物理系教授王亚愚负责。

    在拓扑绝缘体研究初期，我就敏锐地意识到，拓扑绝缘体材料的生长动力学与我长期从事的砷化镓研究有非常类似的地方。于是，我迅速制定了实验方案——按照生长砷化镓的方法进行实验，首先建立起拓扑绝缘体材料的生长动力学。

    我们团队用三四个月的时间，在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学，实现对样品生长过程在原子水平上的精确控制，使薄膜样品的质量很快达到国际领先水平。这是最重要的一步，迈出了这一步，后面的工作才顺利展开。

2、量子反常霍尔效应所需要实验材料的三个苛刻条件全部实现

    材料生长动力学机制这一关键问题得以解决，但这并不意味着接下来的工作就是一片坦途。毫不例外的，实现量子反常霍尔效应所需的三个苛刻条件带来的种种难题，我们也都遇到了。

    比如即使是高质量的拓扑绝缘体薄膜，也很难做到真正绝缘；另外在拓扑绝缘体材料中实现自发铁磁序也非常困难。在四年里，我们团队成员共生长和测量了超过1000个样品，并通过一次次的生长、测量、反馈、调整，争取每一步都做到极致。

    2010年，我们完成了对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，从而使得准二维拓扑绝缘体的制备和输运测量成为可能。

    2011年，我们实现了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控，使其成为真正的绝缘体，去除了体内电子对输运性质的影响。

    2011年底，我们在准二维、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了原位精密调控。

    就这样，量子反常霍尔效应所需要实验材料的三个苛刻条件终于实现了！

    2012年10月的一个晚上，我收到学生的短信：在实验中发现了量子反常霍尔效应的迹象！

    当晚，我立即设计出几套方案，部署好了下一步的实验，特别是和中科院物理所吕力研究组合作，将实验推进到接近绝对零度的极低温。

    接下来的一段时间里，数据不停地跳动着，10000、20000、25800！数据停住了！材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到量子电阻的数值并形成一个平台，同时纵向电阻急剧降低并趋近于零，这是量子化反常霍尔效应的特征性行为！

    历史在这一时刻定格，在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后，人类终于实现了其量子化，这一步由我们中国人的实验完成！

3、材料是未来工业革命的关键，超导或定义一个新时代

    量子反常霍尔效应可能有助于在未来解决摩尔定律的瓶颈问题，若应用到电子器件中，有望克服包括计算机芯片等很多电子器件发热耗能等带来的一系列问题，推动半导体工业的革命。它的发现或将带来下一次信息技术革命，我国科学家为国家争夺了这场信息革命中的战略制高点，这其中材料和物理学功不可没。

    材料是工业革命的基础之一。纵观过去发生的几次工业革命，除了科学的进步，材料的发展起到了极其重要的作用。青铜、钢铁和半导体材料的发展与工业革命和人类文明的进程息息相关。如果有人问，下一个能定义人类文明进步的材料是什么？作为一个科学家，我觉得很可能是高温超导材料，特别是室温超导材料。

    超导现象是1911年荷兰的科学家昂尼斯发现的，1913年他获得了诺贝尔物理学奖。当温度降低时，绝大部分金属材料的电阻会下降，接近绝对零度的时候材料的电阻会停在一个有限值上。所有的金属材料都这样。但是，超导材料表现则不一样，随着温度的降低，到了超导转变温度时，电阻会陡然下降到零，彻底消失了。这个现象叫超级导电性，简称超导。

    超导材料另外一个特性是完全抗磁性。由于完全抗磁性，超导材料会悬浮在一个磁铁上。在超导状态时，材料的电阻为零，如果把材料通上电流，电流就可以永远的流动下去，材料当然也不会发热。在当今社会，电的应用无处不在。可以想象，如果人类找到了在室温下就能超导的材料，其意义将是非常的重大，甚至不亚于电的发明，它一定会导致工业的革命。导致人类文明的巨大进步。大家都看过电影《阿凡达》，电影中显示了2154年时奇特的悬浮山，这个悬浮山就是由室温超导材料构成的。发明的一种材料是“不可得到的”。

    超导的应用很多。大家熟悉的是输电。输电靠导线，目前用于输电的所有导线都是有电阻的，因此浪费的电能占到输电量的6%以上。全世界每年因为这种输电线路损耗有1.5万亿度电被浪费掉。如果材料没有电阻了，仅这一项就会节省巨大的能源，这将是一件非常了不起的事情。超导还有其他应用。以清华大学物理系曹必松教授的工作为例，他们使用超导材料以后，可以使雷达的探测范围能增加200多公里。

    但是，超导材料的超导转变温度通常是非常低的。按照超导理论，超导材料是在一个很微弱的作用下让互相排斥的电子形成电子对而达到超导状态的，温度效应很容易破坏这个作用，把这些电子对拆散开，这就是为什么只有在很低的温度下材料才能达到超导状态的原因。也是因为这个原因，寻找高温超导材料，提高超导转变温度一直是物理学一个非常重要的研究方向。就像我们讲经济发展是硬道理一样，提高材料的超导转变温度是高温超导研究的硬道理。

    1986年，瑞士两个科学家发现了超导转变温度高于77K的高温超导材料。77K是液氮的沸腾温度。这意味着使用价格比较低廉的液氮就可以使材料没有电阻，这对超导的广泛应用意义重大。因为这个重大发现，这两位科学家第二年（1987年）就获得了诺贝尔物理奖。但是大家在科学上不理解为什么超导能在这么高的温度下存在。如果理解了，就有可能找到室温超导，所以大家都想去理解它。

    现在，过了三十多年，人们仍然没有理解高温超导的机理，可以说这是个凝聚态物理学的世纪难题。我们的研究团队目前一个重要科学目标，就是高温超导机理。我们把这个科学目标与材料科学研究密切结合，像攻克量子反常霍尔效应发现的实验一样，我们希望通过材料方面的突破实现这个重大科学目标。也许这是攀登新科学高峰的契机，我们正在牢牢地抓住这个契机，忘我工作。

    （作者：薛其坤，系清华大学副校长、中国科学院院士）