2013年3月18日，在限制遍及的好意思国物理学会年会上自拍偷拍.，清华大学薛其坤院士成为焦点东谈主物——好多华东谈主科学家和相熟的异邦粹者纷繁向他默示祝福。在此三天前，由薛其坤领衔、清华大学物理系和中科院物理所和谐构成的执行团队在《科学》杂志在线发文，初次在执行上发现量子反常霍尔效应，这意味着量子霍尔效应物理范畴一个期待已久的要紧状态一经被中国科学家率先不雅测到。

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图为薛其坤（右一）和琢磨生们商讨执行进展。

4月10日，诺贝尔物理学奖得主、清华大学高档琢磨院名誉院长杨振宁默示：“这是第一次从中国执行室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文。”

右图为瞎想情况下量子反常霍尔效应的活动，左图为执行测量到的数据，二者吻合得十分竣工。

量子霍尔效应在凝合态物理中占据着极其要紧的地位。整数目子霍尔效应和分数目子霍尔效应的执行发现离别于1985年和1998年取得诺贝尔物理学奖。这次中国科学家们初次在执行上不雅测到的量子反常霍尔效应，被认为可能是量子霍尔效应家眷临了一个有待执行发现的成员。为了达成这一基础科学范畴的要紧打破，他们的团队花了整整四年时间。

科学家敏锐眼神锁定至高宗旨

量子反常霍尔效应是一个全新的量子效应，由于其存在不需要外加磁场，因此更具应用远景，成为天下凝合态物理学家关注的焦点。

2008年10月15日，薛其坤明晰地谨记这个日子。在课题组例行的组会上，又名学生在作念文件疏通时先容了 拓扑绝缘体的成见以及关系琢磨后果。从此，“拓扑绝缘体”走入了薛其坤的视线。拓扑绝缘体这个凝合态物理中的新范畴是由斯坦福大学的张首晟老师与来自好意思国和德国的另外两位科学家共同始创的。张首晟和薛其坤之间的深厚友谊和密切疏通使他们执意到，这是一个十分值得深入探究的范畴。从那时起，他们就伸开了对拓扑绝缘体中新奇量子效应的执行琢磨。在一年多的时间内，他们与清华大学物理系陈曦和贾金锋老师，以及中科院物理所马旭村琢磨员合营，在拓扑绝缘体的样品滋长和原位电子态琢磨方面取得了一系列举世细心的后果。而后，他们对准了更高更难的宗旨：在执行上达成量子反常霍尔效应，也等于零磁场中的量子霍尔效应。

量子反常霍尔效应是一个全新的量子效应，由于其存在不需要外加磁场，因此在应用方面比此前发现的量子霍尔效应要便捷得多，不错推动新一代的幼稚耗晶体管和电子学器件的发展，处理电脑发烧等问题。因此从表面琢磨和执行上达成量子反常霍尔效应，成为天下凝合态物理学家关注的焦点。

图为杨振宁先生在量子反常霍尔效应执行后果新闻发布会上发话语。研通社记者王皓冉摄

2006年，张首晟和他的学生们见效地预言了第一个拓扑绝缘体，一年之后，这个奇妙的预言就被实考证据了。从此拓扑绝缘体这个范畴就在全球范围内茂密发展，成为凝合态物理和材料科学琢磨中的主要标的。由于始创拓扑绝缘体这个范畴的凸起孝顺，张首晟于2010年获“欧洲物理奖”，2012年获好意思国物理学会“奥利弗· 巴克利奖”（Oliver Buckley），这是凝合态物理范畴的最高奖。2012年他又取得外洋表面物理学最高奖“狄拉克奖”。2013年3月20日，“基础物理学奖”颁奖盛典在瑞士日内瓦举行，该奖被学界称为科学界的奥斯卡奖，受奖于著名表面物理学家霍金，并将物理学前沿奖授予张首晟和他的共事们，犒赏他们始创拓扑绝缘体范畴的凸起孝顺。2009年，张首晟老师与薛其坤开展了精粹合营。

图为张首晟在量子反常霍尔效应执行后果新闻发布会上发言。研通社记者王皓冉摄

其时拓扑绝缘体是成立在时间反演对称性的旨趣上，2008年，张首晟和清华大学高档琢磨院博士生祁晓亮建议，其时间反演对称性被磁性侵扰后，会出现奇妙的量子反常霍尔效应，从此，磁性拓扑绝缘体便成为达成量子反常霍尔效应的瞎想系统。2008年，清华大学博士生刘朝星和祁晓亮在张首晟及中科院物理所琢磨员方忠和戴希的苟且补助下，建议了二维磁性拓扑绝缘体达成量子反常霍尔效应的基本机理。自旋能带的反带旨趣深远影响了量子反常霍尔效应的表面琢磨。2009年，张首晟和他的博士生们建议了Bi2Se3，Bi2Te3，Sb2Te3掺入3d磁性元素，达成磁性拓扑绝缘体的决策，并作念了具体的贯通筹算。该著述发表在《当然》杂志物理分刊上。五个月后，张首晟又与中科院物理所方忠、戴希开展了精粹合营，通过第一性旨趣的数值筹算，认证了该系统乃是磁性拓扑绝缘体，是达成量子反常霍尔效应的瞎想材料。该著述发表在《科学》杂志上，引起了国表里执行物理学家的鄙俚关注。从此，一场重振旗饱读的外洋竞赛开动了。

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。要达成这一不可想议的量子状态，所需要的执行材料必须同期满足三项十分薄情的要求：材料的能带结构必须具有拓扑特质，从而具有导电的一维边际态；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，从而对导电莫得任何孝顺。这就如同要求一个东谈主同期具有短跑教训员的速率、篮球教训员的高度和体操教训员的灵巧，其难度不言而喻。在骨子的执行材料中要同期满足这三点对执行物理学家来讲是一个巨大的挑战，好意思国、德国、日本等国的一流科学家由于无法在材料中同期满足这三点，而未取得临了的见效。

为了在热烈的外洋竞争中脱颖而出，薛其坤对团队成员进行了合理单干。由于高质地的材料是达成这一量子效应的要津，薛其坤切身担任样品滋长的总进展，并指定马旭村琢磨组的何珂带领几位琢磨生具体进行。反常霍尔效应测量则由清华大学物理系老师王亚愚进展。其时何珂刚刚加入中科院物理所开动使命，王亚愚在清华的输运执行室也才搭建调试完不久。两个年青东谈主关于有时进展这么要紧的琢磨课题感到十分爽直，关联词在琢磨中碰到的挑战也给他们带来很大压力。“最开动的时候不要说量子化的反常霍尔效应，就连这些材料在离开超高真空的滋长环境后，能否取得可靠的输运数据，咱们都莫得把执。”王亚愚说。“很万古期莫得什么好收尾，咱们都不太好兴致见薛淳厚。”何珂回忆说。关联词，恰是薛其坤团队在高质地样品滋长方面的深厚基础，绝顶是薛其坤本东谈主在样品滋长要津本事方面的具体指导，使得他们在成立拓扑绝缘体滋长能源学的基础上，最终克服了重重艰巨。

材料滋长能源学奠定琢磨基础

薛其坤团队在外洋上率先成立了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延滋长能源学，并长出了高质地的薄膜。从这一天起，他们就活着界上最初，而况一直将这个上风保持下去，直至最终得到竣工的执行收尾。

在拓扑绝缘体琢磨初期，薛其坤就敏锐地执意到，拓扑绝缘体材料的滋长能源学与我方永远从事的砷化镓琢磨有十分类似的场所。于是，他连忙制定了执行决策——按照滋长砷化镓的活动进行执行，起原成立起拓扑绝缘体材料的滋长能源学。“执行转到这个标的之后，就进入了咱们比拟擅长的范畴。”薛其坤说。

材料的滋长能源学描述的是如何从一个个原子的响应临了酿成一个宏不雅样品的历程。唯独掌执了材料的滋长能源学，智商精确地戒指材料的滋长。从1992年攻读博士学位起，薛其坤就一直从事薄膜滋长能源学的系统琢磨，于今一经累积了20余年的教养，之前也已取得两项国度当然科学二等奖。

在薛其坤的切身指导下，团队只是用三四个月的时间，就在外洋上率先成立了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延滋长能源学，达成了对样品滋长历程在原子水平上的精确戒指，使得薄膜样品的质地很快达到了外洋最初水平。“这是最要紧的一步，迈出了这一步，后头的使命智商告成伸开。”薛其坤强调说，“不错说，从成立起这类材料的滋长能源学的这一天起，咱们就奠定了在这项琢磨中的最初地位。”三维拓扑绝缘体的表面预言和高质地拓扑绝缘体薄膜的分子束外延滋长能源学及电子态琢磨等系列后果在外洋学术界引起了鄙俚影响，并以总选票排行第一的成绩入选“2010年度中国科学十猛进展”。此外，团队成员还取得了“求是基金会”的“求是凸起科学家奖”和“求是凸起科技成立集体奖”。

这个时候，斯坦福大学的张首晟老师与薛其坤团队开动了精粹的合营琢磨。他们决定把琢磨的要点放在量子反常霍尔效应上，因为这无疑是拓扑绝缘体范畴最具影响力的使命。张首晟深厚的学术造诣、活跃的学术想想和坚定执着的学术作风为通盘名堂的告成引申起到了十分要紧的作用。

精粹合营追求极致通往见效

面对高难度的执行，贫寒竣工、追求极致的科学精神和精粹的团队合营让他们跨越重重窒碍，聚合见效的此岸。

诚然材料滋长能源学这一要津问题得以处理，但这并不料味着接下来的使命等于一派坦途。绝不例外的，达成量子反常霍尔效应所需的三个薄情要求带来的种种难题他们也都碰到了。比如即使是高质地的拓扑绝缘体薄膜，也很难作念到真确绝缘；另外皮拓扑绝缘体材料中达成自愿铁磁序也十分艰巨。

执行濒临的瓶颈数次让通盘团队嗅觉举步维艰。关联词他们莫得毁灭，而是罗致独出机杼，最终找到了一条十分合理的本事道路，这在很大程度上成绩于样品滋长和输运测量琢磨组的精粹合营。团队成员险些每天都通过邮件和电话疏通执行收尾，每2~3周都会进行一次充分商讨，分析执行的通盘细节，并制定下一步的综合筹办。“咱们这些有不同专长、不同特性、不同想路的琢磨东谈主员为了一个共同的宗旨而努力，彼此疏通，彼此促进，是取得见效的要津。要是咱们都是相通的东谈主，反而可能无法取得这么的成立。”何珂说。

“咱们很运气有一批优秀的琢磨生。”王亚愚说，“他们不仅使命粗重，而且由于想维莫得管制，在琢磨历程中时时会建议一些让淳厚诧异的奇想妙想。比如能带结构工程、栅极电压调制、衬底制备、名义袒护层的罗致、微弱器件的加工等执行的要津活动，都是学生们在具体使命和彼此商讨的历程中摸索出来的。咱们和学生们是一皆成长的。”王亚愚说。

薛其坤和张首晟等资深科学家在要津活动上的敏锐直观和精确判断，以及他们积极、自信、乐不雅的作风也予以团队成员很大饱读励。也曾有一段时间，年青的博士生们致使以为执行莫得任何但愿。看成团队的领军东谈主物，薛其坤看到了这一切。他把巨匠召集在一皆，一番柔顺飘溢的话语之后，有位博士生形容我方嗅觉“周身发烧”，劲头十足。此外，团队成员也与方忠、戴希、刘朝星、祁晓亮、段文晖、朱邦芬等表面学者开展了精粹而自得的合营，加速了执行琢磨的进度。

在夙昔四年里，团队成员共滋长和测量了卓著1000个样品，并通过一次次的滋长、测量、反馈、诊治，争取每一步都作念到极致。功夫不负有心东谈主，每6~9个月，他们就会克服一个艰巨，一个个慷慨东谈主心的后果相继而来。

2010年，他们完成了对1纳米到6纳米（头发丝粗细的万分之一）厚度薄膜的滋长和输运测量，得到了系统的收尾，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，他们达成了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控，使其成为真确的绝缘体，去除了体内电子对输运性质的影响。

2011年底，他们在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中达成了自愿长程铁磁性，并诈欺外加栅极电压对其电子结构进行了原位精密调控。

就这么，量子反常霍尔效应所需要执行材料的三个薄情要求终于达成了！

2012年3月，团队成员不经意间不雅察到反常霍尔电阻值竟达到了量子电阻的0.6倍，似乎离量子电阻目前之遥，这给了他们极大的饱读吹，见效唯唯独步之遥了！而后，他们从各个细节全面优化滋长测量要求，一步一步接近古迹出现的时刻。

四年努力见证古迹的时刻

团队成员诈欺分子束外延滋长了高质地的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜，并在极低温下对其磁阻和霍尔效应进行了精密测量。他们发现在一定的栅极电压范围内，材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到量子电阻的数值并酿成一个平台，同期纵向电阻急剧裁减并趋近于零，这是量子化反常霍尔效应的特征性活动。

2012年10月的一个晚上，薛其坤收到学生的短信：他们在执行中发现了量子反常霍尔效应的迹象！回忆起那一刻，薛其坤依然知晓记适应时的慷慨。当晚薛其坤立即组织团队东谈主员，联想出几套决策，部署好了下一步的执行，绝顶是和中科院物理所吕力琢磨组合营，将执行推动到接近饱和零度的极低温。

接下来的几天里，团队成员们用“惴惴不安”形容我方的心计。严谨的科学精神告诉他们，一次的收尾并不可诠释问题，他们需要用不同的样品屡次类似执行。25800欧姆，通盘东谈主都在期待这个符号性的数值，关联词莫得东谈主知谈微妙的微不雅天下究竟会发生什么。之前一直莫得作念到25800这个数值，但是现在要是卓著了如何办？

数据不休地向上着，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（h/e2 ~ 25800欧姆）的数值并酿成一个平台，同期纵向电阻急剧裁减并趋近于零，这是量子化反常霍尔效应的特征性活动！历史将这一时刻定格，在好意思国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后，东谈主类终于达成了其量子化！执行收尾如斯干净漂亮，数据竣工得不可想议，每位成员都在诚意肠瞻仰：“这确实见证古迹的时刻！”

得出最终数据的那天，薛其坤带了两瓶香槟酒，团队成员一皆合影，留住罕有的回忆。那今夜，距离2008年10月已是整整四年。四年里，巨额个不眠之夜，功夫终不负有心东谈主。

中国优秀科研团队向天下“亮剑”

量子反常霍尔效应这个要紧的科学发现讲授，中国科学家的科学修养、琢磨水温煦对执行本事的掌执，一经与外洋先进水平接轨。在中国加大参加基础科学琢磨20年后，中国科学界一经具备一批外洋水平的科学家向天下科学范畴“亮剑”。

薛其坤强调，真确的科学发现是为东谈主类加多新学问，是以琢磨需要很长的历程，需要多年专科的练习和蕴蓄，也需要一批经过严格练习的专科选手来攻关。“在原子的法式上戒指薄膜的滋长，咱们有20年的教养蕴蓄，动须相应，智商迈出量子反常霍尔效应执行最中枢的一步。”他说。

“要紧执行发现是对东谈主类理智的一个巨大挑战，这对琢磨团队的科研修养和蕴蓄，以及执行本事水平的要求都十分高。咱们的团队成员在各自的范畴都是一流的‘专科选手’，咱们的琢磨团队具备了外洋最初水平。”薛其坤说。他强调，这在很大程度上成绩于最近20年中国对基础琢磨的热爱和苟且参加。2005年~2007年，时任清华大学物理系主任的朱邦芬院士先后引进薛其坤、陈曦和王亚愚三位执行物理学家，并通过各式门路给他们创造致密无比的使命要求。中科院物理所也为马旭村带领的名义物理琢磨组和吕力带领的极低温输运琢磨组提供了苟且补助。科学家们每个东谈主都在各自的范畴作念到了天下最初水平，并精粹合营，最终作念出了量子反常霍尔效应这么的要紧科学发现。

“这项后果是咱们团队精诚合营、和谐攻关的共同后果，是中国科学家的集体荣誉。”薛其坤、张首晟、方忠等都珍贵强调这少许。

现在，这个出身于中邦原土的优秀科研团队仍然在为量子反常霍尔效应的应用远景激越着。薛其坤默示：“任何一个状态从旨趣性的发现走到应用，都需要不同范畴科学家和工业界的精诚所至，咱们也会与更多的东谈主合营，努力将这个范畴踵事增华，无间推动它向应用标的发展。”

关系贯穿:

杨振宁：这是诺贝尔奖级的论文

由我校薛其坤院士领衔、我校物理系和中科院物理所和谐构成的执行团队从执行上初次发现量子反常霍尔效应，在外洋物理学界引起巨大反响。4月10日，诺贝尔物理学奖得主、清华大学高档琢磨院名誉院长杨振宁在谈起这项后果时赞叹谈：“这是第一次从中国执行室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文！”

杨振宁强调说：“有一件事情，我以为很值得想考和琢磨。抢作念量子反常霍尔效应的执行于今为止已有四年，全天下好多执行室都在向这方面进攻。但是为什么他们都莫得见效，而唯独清华大学跟中科院物理所的合营取得了打破？我想，这是与中国通盘科研系统的体制，以及中国传统的东谈主文关系等密切关系。这少许我以为很值得追忆研讨。”

“诺贝尔奖一经有一百多年的历史了，莫得具体界说诠释到底什么样的使命是诺贝尔奖级的。不外在通盘物理学、化学、生物学等范畴的琢磨团队里，多若干少有一个共鸣，知谈哪样的使命可能会得诺贝尔奖。像咱们今天商讨的这个使命，我服气，99%在前沿物理学作念琢磨的东谈主，都会承诺这是诺贝尔奖级的后果。”杨振宁笃定地说，“夙昔东谈主们总认为中国东谈主不擅长作念执行，仿佛只会搞表面。其实现在中国一经有天下一流的执行室，加上中国东谈主的粗重努力和团队的合营精神，咱们是有时作念出一流执行的。”

张首晟：为量子霍尔效应画上最好意思句号

“量子反常霍尔效应是继拓扑绝缘体发现之后一个十分上流的里程碑。”张首晟说。

张首晟指出：“自1930年前后发现量子力学基本旨趣，奠定了半导体发展的基础之后，芯片上的三极管每18个月就翻一倍，散漫出来的热量也随之增倍，这使得信息社会堕入一场十分严重的危境。但对咱们科学家来说，这是‘危’更是‘机’，绝顶是关于中国的科学家来说。要是咱们收拢机遇斗胆创新，就完全不错跳跃式地走活着界科学范畴的前线，从‘奴隶者’成长为‘引颈者’，这个兴致口舌常深远的。因此，咱们的科学家一定要收拢这个下一代信息翻新的政策制高点。”

张首晟说：“霍尔效应系列简直是一个金矿。在夙昔的一百多年里，继好意思国科学家霍尔离别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应后，整数目子霍尔效应和分数目子霍尔效应的发现者离别取得诺贝尔物理学奖。2006年~2007年，咱们预言并证据了量子自旋霍尔效应和拓扑绝缘体，我也十分幸运地被授予2010年“欧洲物理奖”。2012年取得好意思国物理学会“奥利弗· 巴克利奖”，这是凝合态物理范畴的最高奖。2012年荣获“狄拉克奖”，是外洋表面物理学最高奖。2013年3月20日，“基础物理学奖”颁奖盛典在瑞士日内瓦举行，该奖被学界称为科学界的奥斯卡奖，受奖于著名表面物理学家霍金，并将物理学前沿奖授予我和我的共事们，犒赏咱们始创拓扑绝缘体范畴的凸起孝顺。这次由中国科研东谈主员发现的量子反常霍尔效应是霍尔效应系列的临了一个要紧成员，它的发现将为这张‘周期表’画上一个最好意思的、最重的句号，或将加速推动信息本事翻新的进度。”

（转载自清华新闻网自拍偷拍.，记者：顾淑霞、刘蔚如，剪辑：欣研）