薛其坤眼中“神奇的量子世界” （二）

首届未来科学大奖物质科学奖得主、清华大学副校长薛其坤教授特别受邀出席未来科学大奖峰会并发表了主旨演讲，这也是其在获奖后的首次公开亮相。藤影荷声将连续刊载薛其坤院士的演讲稿，以飨读者。

这是一个时间轴，让我们回顾历史，讲一讲微观“欧姆定律”的图像是什么。1879年美国物理学家霍尔发现霍尔效应，就是在磁场下材料的霍尔电阻随着磁场会线性增加的效应。加的磁场越大，电阻会越大，这叫霍尔效应，是外加磁场造成的。如果我把这个材料换成磁性的材料，材料本身产生的磁场也会产生霍尔效应，因为不需要外加磁场，原理不一样，名字叫反常霍尔效应。大家可以看到不加任何磁场也有霍尔效应。这是霍尔在1年多里发现的两个重要的现象。100年后，1980年德国物理学家在研究集成电路硅器件时发现了整数量子霍尔效应，再次展现了量子世界的奇特。

我们看整数量子霍尔效应霍尔电阻随着磁场的变化，它和霍尔效应一样线性变化，磁场越大，霍尔电阻越大。但是（磁场）达到了一个值的时候出现了一个平台。也就是说，在这个平台上加磁场，霍尔电阻不发生任何变化。这就是量子世界的奇特之一。第二个，平台对应的霍尔电阻的值是一个物理学常数乘上一个正整数。这个物理学常数是普朗克常数除以电子电荷的平方。稍微仔细一想，这太奇怪了！为什么呢，当你每换一个材料的时候，它所有性质都会发生变化，比如电阻、比热、比重、硬度等等，但在这个平台上，只与物理学常数和正整数有关，任何一个材料都是一样的。这后面一定对应着一个普适的规律，跟材料没有关系。这两点说明整数量子霍尔效应隐藏着非常神奇的物理现象，是奇妙的量子世界。

1982年，把材料再换一下，就是做激光笔的砷化镓半导体，美国三个科学家发现了分数量子霍尔效应。也很奇怪，我就不在这里多解释了。1983年发现了拓扑物态。后面又有多位科学家因为霍尔效应得到诺贝尔奖。

这里，涉及到一个基本的物理参量，就是磁场，只有加磁场才会出现这个平台，才会出现这个霍尔效应。这个磁场有多大呢，非常的大要10个特斯拉，产生这个磁场所需的仪器比人还高，造价几百万，所以要达到量子化需要非常昂贵的仪器。再提醒一遍，刚才我讲的是霍尔电阻出现了量子化，欧姆电阻在量子霍尔态下等于零，欧姆电阻是造成器件发热的，如果处在量子霍尔态时欧姆电阻变成零的话，这不是开创了一个发展低能耗器件、未来信息技术非常好的方向吗？但是，由于昂贵的强磁场仪器很难把这个作为应用。

你自然就问，刚才提到有反常霍尔效应，它不需要磁场，是靠材料本身磁场就能造成霍尔效应嘛，能不能实现反常霍尔效应的量子化？、斯坦福大学张守晟教授合作，在经过133年以后于反常霍尔效应的量子化上做出了重大的实验发现，这太重要了。我这次获奖的重要内容是实现了量子反常霍尔效应，其实是伴随着国家的科学发展、我们国家的强大，（我们）才走到了今天。从这个角度去看还是非常的不容易。

再说下去就是今年的诺贝尔物理奖。凭借1983年提出的拓扑相变和拓扑物态的理论，三位科学家获得了今年的诺贝尔物理奖。在评奖委员会内容介绍中，他把我们的量子反常霍尔效应作为拓扑物质相最重要的发现写了进去。虽然我们做出的量子反常霍尔效应不是沿着当时理论框架做出来的，但我们非常自豪，因为这次是作为最重要的拓扑物质相或者拓扑物质态写在了上面，这说明我们实验工作水平已经达到了这个地步，也可以说我们的实验发现大大推动了部分理论物理学家拿到了这个奖。

得益于国家的经济发展，在2005年的时候，我们实验室已经有了非常好的技术条件，这时候华人物理学家张守晟和其他美国物理学家，在我刚才提到的八十年代诺贝尔奖工作的基础上直接把拓扑物质相的材料，通过另一个途径提出来了，这是科学上一个巨大的跳跃。这个图就是他们提出的拓扑绝缘体，包括磁性拓扑绝缘体。左边是我们用量子力学能简单解释的一般绝缘体。比如碗，它是绝缘的，右边是一个导体，金碗，是导电的，用量子力学可以解释这两个为什么不一样。

什么是拓扑绝缘体？拓扑绝缘体也是一个很神奇的量子现象，它就像一个陶瓷碗上镀了一层非常薄（大概一纳米厚）的薄膜。有意思的是，这个金膜你弄不掉，你把金膜用刀刮掉它马上会自发的产生新的金膜，你再刮掉，甚至刮的再厚一点，你把它砍掉，厚度减小一半，金膜还是存在的。你把它打成碎片也没用，还是存在，除非把这个材料彻底分解变成原子，否则这一层金膜就会永远像鬼一样附在陶瓷碗的表面。磁性拓扑绝缘体也很神奇，通过在材料中引入磁性，就可以把大部分地方的金膜自动去掉，只剩下边缘部分，边缘上的（金膜）也是搞不掉的。这是2005年从理论上发现的拓扑绝缘体。

2008年：我们建立了精确控制化合物拓扑绝缘体的分子束外延生长动力学；

2009-2010年：证明拓扑绝缘体刚才那层金膜是受时间反演对称性保护和无质量狄拉克费米子特性；

2011-2012年：制备出刚才我们谈到的磁性的拓扑绝缘体；

2012年10月发现量子反常霍尔效应，12月完成所有实验，在2013年4月发表。

大家看的照片就是当时我们开始进行研究时制备出来的、当时在国际上属于质量最高的拓扑绝缘体薄膜。左边这个薄膜非常的平，但是一旦放大，会看到一个个的硒原子，但你看不到一个亮度不同的亮点，这说明材料一点杂质都没有。我们做出一个严格化学配比、Bi和Se的比例是2:3的化合物，而且达到了百万分之一水平的精度。这个当然很难。.我们能做到的水平，和刚才提到的20多年的积累有密切关系，但这还不是最难的。量子反常霍尔效应最大的挑战是要制备出有磁性的、还要有拓扑性质的、还要绝缘的薄膜，而且我们不知道薄膜该多厚。我做一个形象的比喻，这个材料性质就好比要求一个人你要有短跑运动员的速度，还要有举重运动员的力量，还要有体操运动员的技巧，很难。我们的量子反常霍尔效应需要的材料就是这样，这是非常大的挑战。

还有其它挑战。为了用宏观电子设备做量子反常霍尔效应的测量，需要在一厘米见方物体上面生长5纳米厚、非常均匀的薄膜。首先这是个技术活，做个比喻，相当于你要做一张A4纸，这个A4纸200公里见方。像计算机屏幕那么大，我们做均匀没问题。如果你水平高，把A4纸做的像我们房间这么大而且很均匀也没问题。但像北京市这么大面积的A4纸，在门头沟区和朝阳区的厚度完全一样的，这就不容易了。最终我们用分子束外延克服了一系列的挑战，成功做出了这个材料。

由于刚才一系列的挑战，我们花了四年多的时间，而且是在我们刚开始的起点非常高的前提下。这是量子反常霍尔效应电阻随着时间的变化。2010年到2011年，一年之内电阻几乎是零，样品全部是导电的。而我们要实现量子化电阻应该是h除以e的平方，它对应的电阻值是25812欧姆。又花了半年多提高了几百欧姆，离两万多欧姆差的非常非常远。中间有很多的放弃，但功夫不负有心人，转机出现在2012年10月12日那天。那天回家刚停下车，学生的短信就来了，记得很清楚是10：35分。他说，薛老师，量子反常霍尔效应出来了，等待详细测量。一个多月的郁闷一下子消失的一干二净，一晚上兴奋的没有睡着觉。当时他看到的图就是中间的这个数据。红线靠近屋顶，到了屋顶就是量子化。更重要的是，黑线欧姆电阻在这个点上同时下降了，这是最重要的量子反常霍尔效应的迹象。后来我找到科学院物理所的吕力老师，使用温度低到几十毫K的仪器，在二个月之后实现了量子化。我认为这是今年诺贝尔奖评选委员会在整个文章中引用的最重要的一个相关实验数据，就是我们这张图。

量子反常霍尔效应是全新的，是不需要外加磁场的量子霍尔效应，所以它提供了一个不需外加磁场、欧姆电阻等于零的信息高速公路。我们平常的电子器件，例如晶体管，如果非常小，里面的电子就会像我们在交通拥挤路口的汽车一样，而处在量子反常霍尔效应的电子像高速公路的汽车一样。它们按照自己的轨道勇往直前，绝对不走回头路，所以，为未来信息技术发展，量子反常霍尔效应提供了全新的原理，使我们可以做出低能耗的量子器件，还可以和超导一起做量子计算。

本文整理自薛其坤院士在未来论坛科技创新峰会上的演讲，经本人授权后发布，有删减。