攻克量子领域的世界制高点

攻克量子领域的世界制高点


  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。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。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,花了整整四年时间。
 
  据薛其坤介绍,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方便得多,可以推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,大大降低电脑发热等问题。从理论研究和实验上实现量子反常霍尔效应,成为世界凝聚态物理学家关注的焦点。
 
  薛其坤说,量子反常霍尔效应意味着在零磁场中,霍尔电阻跳变到约25813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通道;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。”薛其坤说,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这个挑战,未能首先在这个实验中取得突破。
 
  “重大实验发现是对人类智慧的一个巨大挑战,这对研究团队的科研素养和积累,以及实验技术水平的要求都非常高。这项成果是团队精诚合作、联合攻关的共同成果,是中国科学家的集体荣誉。”薛其坤说,量子反常霍尔效应的实验发现说明在基础科学领域,中国科学家的科学素养、研究水平和对实验技术的掌握,已与国际先进水平接轨。在中国加大基础科学研究投入20年后,中国科学界已经具备一批国际水平的科学家。
 
  薛其坤表示,为了在激烈的国际竞争中脱颖而出,他对团队成员进行了合理分工,团队的科学家们每个人都在各自的领域做到了世界领先水平,并紧密合作,最终做出了量子反常霍尔效应这样的重大科学发现。
 
  如今,这个诞生于中国本土的优秀科研团队仍在为量子反常霍尔效应的应用前景奋斗。薛其坤说:“任何一个现象从原理性的发现到应用,都需要不同领域科学家和工业界的共同努力,我们也会与更多的人合作,努力将这个领域发扬光大,不断推动它向应用方向发展。”
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