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超越欧姆定律薛其坤和他的量子世界(3)

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摘要：

为什么会是它——.807？为什么会是这个数字？因为材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到量子电阻（h/e2=.807欧姆）的数值，并形成一个平台，同时纵向电阻急剧降低并趋近于零，再完全降到零，这是量子化反常霍尔效应的特征性行为。

如果数据没有停在那里，冲过去了，就说明整个团队4年努力的方向是错误的，是完全无意义的。也可能又是很有意义的，说明理论预期并不正确，会避免更多的人徒劳无功，这是科学探索中经常出现的现象。

那一瞬，每一个人都屏住了呼吸。团队里的每一个人，彼此望着对方，不敢相信自己的眼睛。真的是.807欧姆吗？真的稳定在了这个大家期待了4年的数值吗？

2012年12月，这一群中国人，在全世界，首次在真实材料中发现了量子反常霍尔效应！

拍照，用一次性纸杯喝最好的香槟，想哭但是哭不出来……

这一天，离2008年10月实验开始，已过去4年多。四年零两个月，1500多个日子，每天从早上7点到晚上11点泡在实验室里。

2008年10月到2009年2月，第一个平台期——最开始的整整7个月，他们沿国际上惯用的技术路线进行尝试，数字始终保持在“0”附近，几乎一动不动。7个月，重复做一个实验，各种改进，各种猜想，找了几十个原因，发现都不是原因，都没能丝毫解决问题，数值就是固执地保持在“0”附近，离他们想要的，不肯迈进0.001，学生都干不下去了，因为他们要写论文，要毕业，大半年、大半年地在这个毫无进展的实验上耗，耗不起。

2011年5月，化学势调控和铁磁绝缘相的实现，让电阻值开始摆脱7个月不变的“0”，向0.01迈进了一小步，然后0.02，0.03，0.05… …

到2011年6月，又进入第二个平台期——数值达到了5000，然后，数值几乎又不动了。直到2012年1月。又是大半年，没有任何进展，又开始看文献，分析数据，导师薛其坤又不停地鼓励学生，找问题，找到一个可能性、突破点，就去试，试了之后发现仍然没用，又找，又试，又白搭。

2012年1月，终于发现一个途径是正确的，通过优化组分和层厚，数据开始明显地往上走。

2012年3月，又陷入停滞，第三个平台期——直到2012年10月，数据开始明显上翘，薛其坤老师收到学生常翠祖发来的那条短信，那条让他的手有些微微颤抖的短信。

大家终于知道自己团队的努力方向是正确的了！

有过多少次失败？探索过多少种不同元素、组分和结构来生长材料？用过1300个，还是1500个样品？

薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量，多少道难关？

其中薄膜生长、磁性掺杂等，就是为了制出满足实验需求的材料，这是最难也最关键的部分。

为什么制出材料最关键？前面曾经提到过，量子霍尔效应和量子反常霍尔效应之所以奇妙，就是因为在这种效应中材料是没有电阻的，同时，在垂直于电流流动方向的电阻（霍尔电阻）归化成一个与材料没有任何关系的量子电阻值，即上面提到的.807欧姆。

那怎样才能没有电阻呢？量子霍尔效应是借助强磁场，量子反常霍尔效应呢？我们都知道在宏观世界中电阻的大小和材料有着一对一的直接关系。因此要实现量子反常霍尔效应，突破点应该在材料上。这种材料首先应该在电流通过时没有电阻，然后它还要自带磁性，以代替量子霍尔效应中的强磁场，还有呢？它应该多厚？

没有电阻？这是多么极致的要求！就好比一块完全没有摩擦力的地面。也只有在量子世界才能达到这样的极致。

制出满足实验需求的材料，就是需要这样“偏执”到极致！薛其坤曾经说：“在量子世界中，我们追求材料纯度是无止境的。”如果10亿个硅原子排列成晶体，中间有1个杂质，相对于绝缘的硅，其电阻会变成3个量级，达到3000倍的变化。准确地说，就是在量子反常霍尔效应实验中，一种百万量级原子中，不能出现一个原子的误差或者杂质！

他们不是和一粒尘埃较劲，也不是和显微镜下的一个病毒较劲，而是和一个原子较劲！

而且这还只是一方面。量子反常霍尔效应所要求的材料还要有磁性、有拓扑性质，还要绝缘，它是一种薄膜，而且没人知道这种薄膜应该多厚。

薛其坤介绍，美国斯坦福大学华裔科学家张首晟和清华大学的刘朝星等人于2008年首次提出，可以通过制备二维磁性掺杂拓扑绝缘体材料实现量子反常霍尔效应。可是怎样生长出这种材料呢？

为了制备高质量的拓扑绝缘体材料，薛其坤团队用了一种叫“分子束外延”的方法，可以通过一个原子层一个原子层的堆积过程实现。打个简单的比喻，就是把分子按照特别精妙的要求和化学配比垒起来，生成一种材料。而且这些要求和化学配比等，事先没有人知道，只能在实验中不断摸索，不断试。

文章来源：《缔客世界》网址: http://www.dksjzz.cn/qikandaodu/2021/0314/670.html