量子反常霍尔效应：量子“高速公路”上中国战车

■我们的记者丁佳

三月中旬，凝聚态物理发生了一件大事。由中国科学院物理研究所和清华大学的研究人员组成的团队在世界上首次实现了“量子反常霍尔效应”。

这项成就在美国杂志《科学》上发表后，立即引起了巨大的震动。自20世纪80年代以来，量子霍尔效应的研究已经两次获得诺贝尔奖。然而，这个家族中的“量子反常霍尔效应”一直困扰着全世界的物理学家，并拒绝揭示它的本来面目。

然而，鲜为人知的是，这篇仅有几页的论文不仅是研究人员多年辛勤努力的成果，而且已经成为中国科学家合作创新的典范。

迷人的量子世界

在肉眼看不见的微观世界中，粒子有自己独特的“生活方式”，它们的行为很难用经典力学来解释，量子力学应运而生。

事实上，量子霍尔效应是粒子在低温下的一种奇特现象。“普通状态下的电子是混沌的。它们无序移动，不断碰撞。”中国科学院物理研究所研究员、北京凝聚态物理国家实验室副主任戴表示:“虽然量子霍尔态的电子似乎是在一条‘高速公路’上，中间有一条隔离带，用来分隔‘汽车’的双向流动。”

换句话说，量子霍尔效应可以解决电子碰撞和加热的问题，因此在未来的量子计算和量子信息存储中具有巨大的应用潜力。因此，基于此设计新一代大规模集成电路和组件将具有极低的能耗。

尽管前景诱人，但普通的量子霍尔效应有一个麻烦的“拖油瓶”——它的实现需要一个巨大的外部磁场。1988年，美国物理学家霍尔丹提出，在没有外加磁场的情况下，可能存在量子霍尔效应，即量子反常霍尔效应。

“外部磁场的问题可以通过铁磁材料来解决，但这样一来，物理性质就完全改变了，我们需要新的材料体系和物理方法。”黛西说。

我在哪里可以找到这种特殊材料？近年来，拓扑绝缘体的“火”为黛西和其他人提供了新的想法。

2009年，中国科学院物理研究所的、戴和美国斯坦福大学的教授在《自然物理学》上发表文章，成功预测了一类三维拓扑绝缘体材料，如Be2Se3，很快将在实验上实现。然后，在2010年，他们在《科学》杂志上发表了另一篇文章，认为在这种拓扑绝缘体薄膜中掺杂磁性离子可能会实现量子反常霍尔效应。

"我们就像一个串联电路."

文章发表后，黛西觉得她可以休息一会儿。“我们的计划极难实施。那时，我觉得我的头发可能是白色的，我迫不及待地期待着量子反常霍尔效应实现的那一天。”

但是实验物理学家不这么认为。中国科学院物理研究所研究员马旭村和副研究员何克在了解了戴西等人的成果后，接管了材料设计和制备工作。

“在我们培育出样本后，我们会将它送到清华大学测量霍尔电阻，然后带回进行改进。一天来回跑几次是正常的。”何科开玩笑说，幸运的是这两兄弟靠得很近。

这种“折返跑”在三年内已经重复了无数次。据粗略估计，他们已经做了1000次，只是为了制备掺杂磁性的拓扑绝缘体材料，如果他们增加其他方面的探索，他们可能要去另一个数量级。

“这项研究有30到40名参与者。整个团队就像一个串联电路。尽管我们的“电阻”大小不一，但流过每个人的电流是一样的。拿走任何电阻，电路就通不过。”黛西叹了口气，“没有这样好的合作模式和过程，很难想象我们能在不到3年的时间内完成。”

“在物理学中，现象通常通过实验来观察，然后得到理论。他们的研究正好相反。这是一个从理论到实验的完整过程。”中国科学院院士鲁愚评论说:“从这项工作中，我们可以看到团队合作的重要性。我们优势互补，共同创新。只有当所有有才华的人聚集在一起，我们才能取得重要的创新成果。”

“痛苦”的背后

贺科经常说，材料准备与其说是科学不如说是艺术。同样的材料，换机器，换人可能做不到，极其考验人的技术和耐心。

这一次，“工匠”何克也遇到了一些让他几乎绝望的事情。该团队的学术带头人、中国科学院院士薛其昆要求他们制备一层厚度为5纳米的薄膜，并在薄膜中掺杂磁性材料。薄膜必须非常光滑，不能凹凸不平。

"半年来，我们毫无进展，用尽了一切可用的手段。"何科回忆说，一个学生不小心取下了覆盖在胶片上的覆盖层，发现数据信号大大增强了。

“这种涂层将薄膜与大气隔离开来。每个人都在他们的实验中使用这个。做科学研究，除了坚持，跳出习惯思维也很重要。”

另一个“被抓错了脚”的例子是中国科学院物理研究所的研究员李露。他和他的学生是加入这项工作的最新力量。当时，在材料制成后，它们被送到清华大学进行低温量子输运测量。尽管研究人员看到了一些量子反常霍尔效应的迹象，但他们并不总能达到理想状态。

实验必须降低到较低的温度吗？他们想到了“制冷专家”李露。

中国科学院物理研究所在低温实验方面积累了几十年的经验，特别是近年来，李露实验室在自主研发低温实验仪器方面取得了重大突破。2010年，中国诺贝尔奖获得者崔琦从美国带来了一块材料，用于测试物理研究所的核绝热退磁系统的能力。结果仪器将电子温度降低到4mK，比绝对零度高0.004℃。

"冷却材料很容易，但冷却电子却很困难."俞干说:“30mK后观察到量子反常霍尔效应。我们仍然有很大的低温空间，我们可以进行更精确的实验。”

像团队中的其他科学家一样，在李露看似轻松的“门前一只脚”的背后，是数不清的失败和十多年的坚持。正如李露自己所说:“我们从事科学研究，难道不是为了一直与自己竞争吗？”

中国科学新闻(2013-04-11，第一版集锦)