本报北京4月10日讯（记者 唐景莉）历时近4年，20多名学生参与，尝试了1000多个样品，终于解决微电子学、集成电路发展的一个瓶颈。清华大学和中科院物理所今天在北京联合宣布，他们组成的团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这一重大科技发现，是凝聚态物理领域的重大突破，将可能加速推进信息技术革命，在未来研制出极低能耗的电子器件。

  据了解，量子霍尔效应是整个物理领域，尤其是凝聚态物理领域当中最重要和最基本的量子效应之一，只要是物理方面的研究人员，都会涉及的物理现象。从上世纪80年代开始，德国、美国科学家相继发现了整数量量子效应和非数量霍尔效应，他们都获得了诺贝尔物理学奖。

  从2009年起，由薛其坤院士带领的清华大学物理系王亚愚、陈曦、贾金锋和中科院物理所马旭村、何珂、王立莉、吕力组成的联合实验团队，与方忠、戴希、张首晟等理论物理学家合作，开始向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。在过去近4年的时间里，团队生长和测量了超过1000个样品，克服了重重障碍，终于在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。

  “这一成果的获得，是我国科学家长期积累、协同创新、集体攻关的一个成功典范。”实验团队的领衔科学家、中国科学院院士、清华大学教授薛其坤介绍，这一成果于北京时间3月15日在美国《科学》（Science）杂志在线发表，清华大学物理系博士生常翠祖、张金松、冯硝和中科院物理所博士生沈洁为文章的共同第一作者。

  诺贝尔物理奖获得者、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授在接受记者采访时表示，这一重大科技发现是中国实验室里所发表的“诺贝尔物理奖级别的论文”。

  斯坦福大学教授、清华大学“千人计划”教授、拓扑绝缘体领域开创者之一的张首晟教授说：“养兵千日，用兵一时。中国装备精良的实验室，加上极其勤奋、善于合作的团队，终于让这一理论上的预言变成伟大的现实。在信息技术革命中，中国科学家为争夺战略制高点做出了贡献。可以说，敏锐的远见和精诚的合作，是自主创新的根本。”

攻克量子世界的制高点

——我国科学家发现量子反常霍尔效应背后的故事

  ■本报记者 唐景莉

  3月18日，在规模宏大的美国物理学会年会上，清华大学薛其坤院士成了焦点人物——很多华人科学家和相熟的外国学者纷纷走到他面前向他表示祝贺。这些都源于今年3月15日《科学》（Science）杂志在线发表文章，宣布由薛其坤院士领衔的清华大学物理系和中科院物理所联合组成的实验团队，从实验上首次发现量子反常霍尔效应，这意味着量子霍尔效应物理领域一个期待已久的重要现象已经被中国科学家率先观测到。

  在凝聚态物理中，量子霍尔效应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。这次中国科学家首次在实验上观测到的量子反常霍尔效应，被认为可能是量子霍尔效应家族最后一个有待实验发现的成员。为了实现这一基础科学领域的重大突破，薛其坤院士和他的团队整整花了4年时间。

  以科学家敏锐的眼光锁定至高目标

  物理在人类的生活中无处不在，而重大的实验物理发现可以让人类认识和掌握自然界的规律，从而推动人类社会的进步。

  2008年10月15日，薛其坤院士清楚地记得这个日子。在课题组例行的组会上，学生在做文献交流时介绍了拓扑绝缘体的概念以及相关研究成果。从此，“拓扑绝缘体”走进了薛其坤院士的视野。

  拓扑绝缘体这个凝聚态物理中的新领域是由斯坦福大学的张首晟教授与来自美国和德国的另外两位科学家共同开创的。张首晟教授和薛其坤院士深厚的友谊和紧密的交流使他们意识到，这是一个非常值得在中国进行深入探究的领域。从那时起，他们就展开了对拓扑绝缘体中新奇量子效应的实验研究。在一年多的时间内，他们与清华大学物理系的陈曦和贾金锋教授，以及中科院物理所的马旭村研究员合作，在拓扑绝缘体的样品生长和原位电子态研究方面取得一系列举世瞩目的成果。此后，他们瞄准了更高更难的目标：在实验上实现量子反常霍尔效应，也就是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，解决电脑发热等问题。因此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。

  为了在激烈的国际竞争中脱颖而出，薛其坤院士对团队成员进行了合理的分工。由于高质量的材料是实现这一量子效应的关键，薛其坤亲自担任样品生长的总负责人，并指定由中科院物理所马旭村研究组的何珂带领几位研究生具体进行。反常霍尔效应测量则由清华大学物理系的王亚愚负责。当时何珂刚刚进入物理所工作，王亚愚在清华的输运实验室也刚刚搭建调试完毕。两个年轻人对于能够负责这样重大的研究课题感到非常兴奋，然而在研究中遇到的挑战也给他们带来很大的压力。（下转第四版）

  名词解释

  霍尔效应

  130多年前，美国物理学家霍尔先后发现了霍尔效应和反常霍尔效应。在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压，这个电磁输运现象就是著名的霍尔效应。而不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是霍尔反常效应。

  新闻背景

  量子霍尔效应研究已三获诺贝尔奖

  在凝聚态物理的研究中，量子霍尔效应占据着极其重要的地位，此前在这方面的重要工作包括——

  □整数量子霍尔效应（1980年发现，1985年诺贝尔物理奖）；

  □分数量子霍尔效应（1982年发现，1998年诺贝尔物理奖）；

  □石墨烯中的半整数量子霍尔效应（2005年发现，2010年诺贝尔物理奖）；

  □量子化自旋霍尔效应（2007年发现，2010年欧洲物理奖，2012年美国物理学会巴克利奖）。

  量子反常霍尔效应是在此领域的又一个重大进展，有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员。

  成果应用前景广阔

  在当今信息社会，半导体技术飞速发展，但电脑运行中热量如何散发成为困扰半导体和信息产业发展的一个瓶颈问题。而量子反常霍尔效应的发现将有望解决这一难题。因为这一效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用，可用于制备低能耗的高速电子器件。科学家可使电子在不需要强磁场的情况下，按照固定轨迹运动，减少电子无规则碰撞导致的发热和能量损耗。通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，千亿次的超级计算机有望做成现在的iPad那么大。因此，这一科研成果的应用前景十分广阔。

  （资料来源：清华大学、中国科技网）