出品 | 網(wǎng)易新聞

　　撰稿 | 史文慧

　　2019年1月8日上午，一年一度的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)在人民大會(huì)堂開(kāi)幕，會(huì)上揭曉了2018年度國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)以及“國(guó)家三大獎(jiǎng)”——國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)和國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)。

　　薛其坤院士團(tuán)隊(duì)的“量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)”獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)中的唯一一個(gè)一等獎(jiǎng)。

　　量子反常霍爾效應(yīng)究竟是啥？

　　第一眼看到“量子反常霍爾效應(yīng)”這個(gè)詞，是不是有種不明覺(jué)厲的感覺(jué)？其實(shí)，它和我們的日常生活密切相關(guān)。

　　生活中，我們用到的電器，如計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、手機(jī)等，因?yàn)榘l(fā)熱以及電阻的存在等原因，在工作過(guò)程中總會(huì)存在一定的能量損耗，無(wú)法發(fā)揮最大的效率。這些電器都是由電子器件組成的，電子器件的運(yùn)行要依靠電子來(lái)完成，而之所以會(huì)產(chǎn)生能量損耗，從微觀的視角來(lái)看，其實(shí)是因?yàn)殡娮釉陔娮悠骷羞M(jìn)行著雜亂無(wú)序的運(yùn)動(dòng)。

　　既然電子器件的能耗是電子無(wú)序運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的，那么如果可以讓電子的運(yùn)動(dòng)像高速路上的汽車(chē)一樣，各行其道互不干擾，豈不就可以提高效率、降低能耗了？科學(xué)家們也是這么想的。

　　自19世紀(jì)80年代美國(guó)物理學(xué)家霍爾（Edwin Herbert Hall，1855-1938）發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)后，各國(guó)的科學(xué)家一直在努力尋找能夠讓電子有序運(yùn)動(dòng)的辦法。

　　“利用量子反?；魻栃?yīng)原理后，電子就可以變得非常有序”，“所以，（量子反常霍爾效應(yīng)）是提供降低電子器件能耗的一個(gè)重要物理學(xué)原理”。中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)副校長(zhǎng)薛其坤此前接受網(wǎng)易新聞專(zhuān)訪時(shí)這樣解釋道。

　　

　　它是如何被發(fā)現(xiàn)的？

　　道理已經(jīng)清楚了，可是，量子反?；魻栃?yīng)畢竟只是理論物理學(xué)家提出的一種假說(shuō)，在現(xiàn)實(shí)世界中真的可以做到嗎？

　　霍爾效應(yīng)已經(jīng)切切實(shí)實(shí)應(yīng)用在了生活的許多方面，一些空調(diào)元件、汽車(chē)的里程表和速度表以及各種開(kāi)關(guān)都有霍爾效應(yīng)的身影。量子霍爾效應(yīng)也已經(jīng)于上個(gè)世紀(jì)在實(shí)驗(yàn)上得以發(fā)現(xiàn)，并先后兩次拿下諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　然而，量子的反?；魻栃?yīng)卻遲遲沒(méi)有取得突破，成為凝聚態(tài)物理學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　根據(jù)清華大學(xué)的介紹，2006年，張首晟團(tuán)隊(duì)預(yù)言了一類(lèi)叫拓?fù)浣^緣體的材料，并在2008年與清華大學(xué)、中科院物理所的合作伙伴們一起提出了在拓?fù)浣^緣體中引入磁性將有可能實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的理論，這成為了一個(gè)可能的突破口。

　　絕緣體我們都比較熟悉，它們是一類(lèi)不容易導(dǎo)電的物質(zhì)，而拓?fù)浣^緣體和傳統(tǒng)意義上的“金屬”與“絕緣體”都不同，它是一種內(nèi)部絕緣、界面導(dǎo)電的材料。2008年10月15日，薛其坤在課題組例行組會(huì)上聽(tīng)到一位博士生關(guān)于拓?fù)浣^緣體的概念以及相關(guān)研究成果的介紹，與學(xué)生們進(jìn)一步討論后，薛其坤決定開(kāi)始拓?fù)浣^緣體研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證假說(shuō)。

　　量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)條件非常苛刻，需要同時(shí)滿(mǎn)足三個(gè)條件：材料的電子結(jié)構(gòu)必須具有獨(dú)特的拓?fù)涮匦裕徊牧媳仨毦哂虚L(zhǎng)程鐵磁序；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有任何貢獻(xiàn)。

　　實(shí)驗(yàn)用到的儀器也十分復(fù)雜，一個(gè)小配件碰壞了就有可能導(dǎo)致整個(gè)儀器癱瘓。而如果損壞的零配件自己無(wú)法修復(fù)，在國(guó)內(nèi)又無(wú)法買(mǎi)到，還需要耗費(fèi)幾個(gè)月時(shí)間從國(guó)外進(jìn)貨。

　　經(jīng)過(guò)4年的嘗試，實(shí)驗(yàn)終于取得了突破，2012年12月8日，薛其坤團(tuán)隊(duì)與中科院物理所團(tuán)隊(duì)合作，在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了量子反?；魻栃?yīng)。

　　還有哪些需要攻克的難點(diǎn)？

　　量子反常霍爾效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)中被驗(yàn)證了，但擺在科學(xué)家面前的難題才剛剛開(kāi)始，要想讓量子反?；魻栃?yīng)應(yīng)用于實(shí)際，就必須解決實(shí)驗(yàn)條件苛刻的問(wèn)題。

　　雖然實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的溫度已經(jīng)從原來(lái)的比絕對(duì)零度高0.03度提高到了比絕對(duì)零度高0.3度，但這個(gè)實(shí)現(xiàn)溫度仍舊極低，這不僅阻礙了進(jìn)一步研究，也讓其走向?qū)嶋H應(yīng)用帶來(lái)挑戰(zhàn)。

　　另外，此前是在一個(gè)量子反?；魻栃?yīng)層完成實(shí)驗(yàn)，這相當(dāng)于只有一條電子運(yùn)行的高速公路，而要想增強(qiáng)材料的導(dǎo)電能力，就需要建立量子反?；魻栃?yīng)的多層結(jié)構(gòu)。如何形成一個(gè)多層結(jié)構(gòu)并且讓各層之間不受彼此干擾地正常運(yùn)轉(zhuǎn)，科學(xué)家們還有很長(zhǎng)的路要走。

　　（文中部分資料來(lái)源于清華大學(xué)公眾號(hào)）