发现量子反常霍尔效应是中国对人类科学重要贡献

中国2018年度国家科技奖励大会8日在北京举行，中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤教授领导的清华大学、中科院物理研究所实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”项目，获得本年度国家自然科学奖项中唯一的一等奖。

“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’。”薛其坤院士接受采访时表示，量子反常霍尔效应是一个基于全新物理原理的科学效应，是新中国成立以来中国独立观测到的不多的科学效应之一，是中国物理学工作者对人类科学知识宝库的一个重要贡献。

他认为，量子反常霍尔效应的发现是改革开放40年间中国在基础研究上的一个重大成果，也标志着中国拓扑量子物理的实验研究居世界领先地位。

据了解，通过实验在真实材料中发现量子反常霍尔效应，长期以来一直是物理学家追求的目标。自1988年开始就不断有理论物理学家提出各种方案，然而之前在实验上没有取得任何重要进展。因为反常霍尔效应的量子化需要材料的性质同时满足三项非常苛刻的条件：

一是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，即一维导电通道；二是材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应；三是材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献，只有一维边缘态参与导电。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度，而要同时满足这三点对实验物理学家来讲更是一个巨大的挑战。

薛其坤研究团队长期以来结合分子束外延生长、极低温强磁场扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱技术，在表面、界面、低维物理学领域做出了国际一流的工作。2008年，薛其坤研究团队抓住拓扑绝缘体这个新领域兴起的契机，在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的生长动力学机制，利用分子束外延生长出国际最高质量的样品。

从2009年起，薛其坤领导的实验研究团队与清华大学、中科院物理所、斯坦福大学的研究者合作，对量子反常霍尔效应的实验实现进行攻关。历时4年努力，薛其坤团队实验了逾千个样品，终于找到一种叫做磁生拓朴绝缘体薄膜的特殊材料，并从实验中观测到“量子反常霍尔效应”。

“量子反常霍尔效应”是整个凝聚态物理中重要基本的效应之一，中国科学家在世界上率先找到了实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径，这一重大发现引发国际学术界高度关注，其研究成果论文很快被《科学》杂志接受发表，三名匿名审稿人一致给予高度评价。著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁直言，这是第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文。

“量子反常霍尔效应”这项重大发现不仅是科学上的重要突破，研究成果应用方面也具有意义深远的影响，它将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命的进程。中国科学家这次为何能摘得这一基础研究“皇冠上的明珠”？

薛其坤强调，瞄准同一重大科学目标，不同擅长但相对独立的单元科研团队的成员间形成了高效合作，其深度和持久性在中外也不多见。这种“团队协作、攻坚克难”的创新模式是拔得头筹的重要因素。

同时，工欲善其事，必先利其器。“量子反常霍尔效应”研究团队在清华大学的实验室得到国家强力支持，拥有的五套精密实验系统基本上都是当前世界的最高水平，科研仪器不但能在材料的原子尺度上控制材料的生长，还可以在原子尺度上表征它的性能，从而把材料的量子特性以及物理、化学特性在控制方面达到一个前所未有的水平。

薛其坤指出，严谨高效的团队合作、过硬的实验技术，也使得中国科学家率先发现的量子反常霍尔效应经受住了历史的考验，成果论文发表后，实验结果已先后得到东京大学、麻省理工学院、斯坦福大学、普林斯顿大学等科学界同行的反复严格验证。

他表示，“量子反常霍尔效应”研究团队要以获得国家自然科学奖一等奖为契机，继续努力探索，争取做出更多新的科学发现，推动成果应用的发展，增强中国人的科学自信、文化自信，为中华民族真正走向世界科学的中央和站稳中央、坚守中央作出贡献。