薛其坤：发现量子反常霍尔效应是中国对人类科学重要贡献

中新网1月8日电(记者孙子发)2018年中国国家科学技术奖颁奖大会8日在北京举行。中国科学院院士、清华大学副校长清华大学在薛其昆教授带领下，与中国科学院物理研究所实验团队完成了“量子异常霍尔效应的实验发现”项目，获得今年国家自然科学奖唯一一等奖。

“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的‘皇冠上的珍珠’。”薛其昆院士在接受采访时说，量子反常霍尔效应是一种基于全新物理原理的科学效应。这是新中国成立以来中国独立观察到的为数不多的科学成果之一。这也是中国物理学家对人类科学知识宝库的重要贡献。

他认为，量子反常霍尔效应的发现是改革开放40年来中国基础研究的重要成果，也标志着中国在拓扑量子物理实验研究方面处于世界领先地位。

据了解，通过实验在真实材料中发现量子反常霍尔效应一直是物理学家追求的目标。自1988年以来，理论物理学家一直在提出各种方案，但在实验之前没有取得重大进展。因为反常霍尔效应的量子化要求材料的性质同时满足三个非常苛刻的条件:

首先，材料的能带结构必须具有拓扑特征，以便具有导电的一维边缘状态，即一维导电沟道；第二，材料必须具有长程铁磁有序，这导致异常的霍尔效应。第三，材料的主体必须处于绝缘状态，以免对传导产生任何影响。只有一维边缘态参与传导。在实际材料中很难实现上述任何一点，同时满足这三点对实验物理学家来说是一个巨大的挑战。

长期以来，薛其昆研究团队将分子束外延生长、超低温强磁场扫描隧道显微镜和角分辨光电子能谱技术相结合，在表面、界面和低维物理领域做出了世界级的工作。2008年，薛其坤研究团队抓住拓扑绝缘体新领域崛起的机遇，率先建立了世界上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世界上质量最高的样品。

自2009年以来，薛其昆领导的实验研究团队与清华大学、中国科学院物理研究所和斯坦福大学的研究人员合作，共同解决量子反常霍尔效应实验实现中的关键问题。经过四年的努力，薛其昆团队对1000多个样品进行了实验，最终发现了一种特殊的材料，叫做磁生拓扑绝缘体薄膜。实验中观察到“量子反常霍尔效应”。

“量子反常霍尔效应”是凝聚态物理中重要的基本效应之一。中国科学家在世界上率先发现了实现这种特殊量子效应的物质系统和具体的物理方法。这一重大发现引起了国际学术界的极大关注。这些研究论文很快被《科学》杂志接受并发表，三位匿名评论者一致给予高度评价。著名物理学家、诺贝尔奖获得者杨振宁直言不讳地说，这是中国实验室发表的第一篇诺贝尔物理学奖级论文。

“量子反常霍尔效应”的重大发现不仅是科学上的重大突破，而且对研究成果的应用产生了深远的影响。它将推动新一代低能晶体管和电子器件的发展，并可能加速信息技术革命的进程。为什么中国科学家赢得了这项基础研究“王冠上的珍珠”？

薛其昆强调，针对同一重大科学目标，不同但相对独立的单位科研团队成员形成了高效的合作，其深度和持久性在国内外都是罕见的。这种“团队合作、克服困难”的创新模式是赢得冠军的重要因素。

同时，如果一个工人想做好工作，他必须首先磨利他的工具。“量子反常霍尔效应”研究小组得到了国家在清华大学实验室的大力支持。它拥有的五套精密实验系统基本上是世界上最高水平的。科学研究仪器不仅可以在原子尺度上控制材料的生长，而且可以在原子尺度上表征它们的性质，从而在控制材料的量子性质、物理和化学性质方面达到前所未有的水平。

薛启昆指出，严谨高效的团队合作和优秀的实验技术也使中国科学家首次发现的量子反常霍尔效应经受住了历史的考验。该研究论文发表后，实验结果已被东京大学、麻省理工学院、斯坦福大学和普林斯顿大学等科学同行反复严格验证。

他说，“量子反常霍尔效应”研究团队应该以国家自然科学奖一等奖为契机，继续探索，努力做出更多新的科学发现，促进成果应用的发展，增强中国人民的科学文化信心，为中华民族真正走向世界科学的中心，坚定不移地走在世界科学的前列做出贡献。(结束)