中国最接近诺贝尔物理学奖的一次发现

2013年3月14日，美国《科学》杂志在网上发布了一条消息，在科学界引起了轩然大波:清华大学院士薛启坤、清华大学物理系和中国科学院物理研究所领导的实验团队首次观测到量子反常霍尔效应。著名美籍华人物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁甚至充满激情地宣称:“这是中国实验室首次发表诺贝尔物理学奖级论文。这不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。”实验结果公布后，薛其昆应邀在日本做学术报告。日本科学家给他发了一封电子邮件，称赞“这是我在过去十年里听到的最好的学术报告。我们真的没想到你最终会发现这个奇妙的现象”。另一位著名的美国物理学家也给研究小组发了一封电子邮件，“看到你的结果，我真的有点嫉妒。但当我回头看时，我们确实对这项工作的巨大难度感到惊讶。”如果以上评论都是个人发表的，有些主观，不够令人信服，你可以看看美国杂志《科学》的匿名评论。“这篇文章结束了多年来对量子反常霍尔效应的探索，这是一项里程碑式的工作。我祝贺这篇文章的作者在拓扑绝缘体的研究上取得了重大突破。”

这种量子反常霍尔效应是多么惊人，吸引人们观看并获得如此赞誉，仍需要从19世纪末开始。

1879年，美国物理学家霍尔发现，如果一个垂直于电流方向的磁场作用于带电导体，电子的轨迹将会偏转。这种电磁现象被称为“霍尔效应”。霍尔效应是微观粒子在电子水平上的一种物理现象，但值得注意的是，在那个时候，电子并没有被科学家发现。(1)1980年，德国科学家冯·克利钦发现整数量子霍尔效应，获得1985年诺贝尔物理学奖。1982年，美国科学家崔琦和斯托默发现了分数量子霍尔效应，并获得了1998年诺贝尔物理学奖。总而言之，我们知道为什么杨振宁对量子反常霍尔效应的发现如此震惊和赞赏。

量子霍尔效应不仅是一个高层次的理论，它与我们的生活密切相关，尤其是现在，各种电器已经完全占据了我们的生活。手机、电脑和电视无处不在。当我们使用这些电器时，主体会发热，这是最常见的现象。台式电脑的主体做得很大以散热，不仅如此，里面还增加了一个特殊的冷却风扇。这不仅是能量损失，还会影响电器的使用，使它们运行更慢，消耗更多的能量。这是因为在正常情况下，芯片中的电子没有特定的轨道，相互碰撞，导致能量损失。量子霍尔效应可以“驯服”这些电子。薛启昆院士在接受*电视台采访时表示:“这就像一辆高端跑车，通常在拥挤的农贸市场行驶，而在量子霍尔效应下，它可以在‘各走各的路，互不干扰’的高速公路上行驶。"

然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，这相当于增加10个计算机大小的磁体，或者像衣柜一样，不仅体积大而且昂贵，并且不适合个人计算机和便携式计算机。按照目前的房价，即使你买得起这样一台机器，恐怕也没有地方放它。然而，科学研究人员并没有就此止步。1988年，当美国科学家斯托默发现分数量子霍尔效应时，美国物理学家霍尔丹也提出可能存在不需要外部磁场的量子霍尔效应。没有任何外部磁场，量子霍尔态可以在零磁场中实现。如果是这样，它可以应用于人们日常需要的电子设备。

试想，如果利用量子反常霍尔效应来发展低能晶体管和电子器件，这将克服计算机发热和能量耗散的问题，从而有可能推动信息技术的进步，这将有可能加速信息技术革命的进程，从而引发全球科技的一次大飞跃。目前，我们的手机最多只有几个千兆的存储容量，应用量子反常霍尔效应可以达到几个千兆。同样，那些先进的超级计算机现在可能会缩小到笔记本大小。

然而，多年来，一直不可能找到实现这种特殊量子效应的物质系统和具体的物理方法。可以说，世界上许多顶尖科学家都在这一领域进行探索，希望他们能够成为发现量子反常霍尔效应的第一人。人们也非常关心谁会花钱的问题。最后，薛其昆院士获得了第一名。这真令人兴奋。我们常说什么是爱国主义，什么是最伟大的爱国主义。战时维护祖国尊严，平时为祖国争光。

为什么是薛其昆院士？这不像从树上掉下一个苹果并砸到牛顿的头那么简单。科学上的每一小步现在都涉及研究者的无数汗水和脑细胞。

经过近4年的研究，薛其昆团队测量了1000多个生长样本。最后，他们利用分子束外延生长了高质量的掺铬(Bi，Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在超低温输运测量器件上成功地观察到了量子反常霍尔效应。加班熬夜是常有的事。突然有一天，每个人正常下班会很奇怪。在清华大学，薛其昆院士有一个听起来很奇怪的绰号“7-11”(2)——他在早上7点进入实验室，一直工作到晚上11点。薛其昆已经坚持这个时间表20年了。*说做一件好事不难，但做一辈子好事却很难。增加一天的工作量并不难，但增加20年却很难。然而，薛其昆院士做到了，中国也做到了。

无论薛其昆院士将来能否获得诺贝尔物理学奖，他都将成为我们的骄傲和骄傲。

电子是由j j .汤姆森于1897年发现的，并于1906年获得诺贝尔物理学奖。

(2) 7-11便利店。最初的7-11商业理念是在非正常营业时间(晚上7: 00到第二天上午11: 00)提供零售服务。现在它已经发展成为一个24小时，24小时营业的企业。7-11已经成为便利店全天营业的参考。

杨振宁教授对薛其昆团队的发现给予了高度评价

内液增阻效应

量子反常霍尔效应

薛其坤和他的团队

严格自律的薛其昆院士