超越欧姆定律薛其坤和他的量子世界(4)

这样生长起来的拓扑绝缘体是一种内部绝缘，表面可以允许电荷移动的材料，只有几个纳米厚，如果用肉眼观察，培养皿里的拓扑绝缘体只是一小片发灰的芯片，需要4种元素。其中，4种元素的配比该是多少，薄膜的生长条件等，如何把握住不知道的火候，都十分复杂精妙。“比如，应该是1%的铁，还是2%的铁，你怎么知道？”薛其坤说。如果没有深邃的学术判断力，很可能就会走入歧途，可谓差之毫厘，谬之千里。

这个材料简直就是个“怪人”。“这就如同要求一个运动员同时具有刘翔的速度、姚明的高度和郭晶晶的灵巧度。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度，而要同时满足这3点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战。”课题组成员、清华大学王亚愚教授这样描述实验对材料要求的苛刻程度。

真正地解决其中一个问题，满足3点中的一点，大概花了一年多的时间，又开始解决第二个问题，满足第二点，大概又花了一年多，然后又开始寻找途径解决第三个问题。在复杂的数据中去找到一条正确的路，绝对地考验洞察力和学术水平。

无法忘记，这4年中，那一点点关于拓扑绝缘体的进展：

2010年，完成对1纳米到6纳米厚度薄膜的生长和输运测量。

2011年，实现对拓扑绝缘体能带结构的精密调控，使其成为真正的绝缘体，并去除了体内电子对输运性质的影响。

2011年年底，在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了“自发长程铁磁性”，并利用外加栅极电压对其电子结构进行了原位精密调控。

2012年12月，终于在全世界首次，于实验室中发现了量子反常霍尔效应。

一年半以后，日本东京大学、美国加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院和斯坦福大学等4所国际著名高校的研究团队，相继复现报道了量子反常霍尔效应，进一步证明了实验的可靠性。

货真价实的科学发现

超级计算机变身iPad大小；手机储存不再是一两百G，而是几个T；电流循环不停，电表却几乎未走字；手机几个月不充电；电脑再也不会发热，再也不会速度变慢……你想象过这一切吗？如果量子反常霍尔效应能够在室温下实现，和解决材料昂贵的问题，微观“小”世界的“小”发现，可能成就宏观世界的大梦想！而且并不需要借助冰箱那么大的昂贵设备去产生强磁场、去实现这个梦想。

这项研究成果为未来信息技术革命提供了全新的原理，使我们能做出低能耗晶体管和电子元器件，还可以用它和超导一起去做量子计算。

2013年4月9日，在清华大学举行的新闻发布会上，著名物理学家杨振宁教授发表讲话时表示：“这是从中国的实验室里头，第一次做出并发表出诺贝尔奖级的物理学论文。”随后在接受凤凰网采访时，杨振宁再次表示：“我相信99%在前沿物理学做研究的人都会同意这是诺贝尔奖级的工作。”

2016年5月30日的全国科技创新大会、两院院士大会上，习近平总书记介绍我国在基础前沿领域国际领先的代表性工作时，提到了薛其坤团队的科研成果。

2016年的诺贝尔物理学奖获得者之一、普林斯顿大学的霍尔丹教授，也就是在1988年提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应的人，他认为，自己能获诺奖，与薛其坤团队量子反常霍尔效应的发现有着非常密切的关系，他对薛其坤院士表示了感谢。霍尔丹教授多次在他的演讲中，特意把薛其坤团队的发现放在显赫的位置，列为拓扑物质领域最重要的实验发现。

这个发现标志着我国在拓扑物质领域的实验研究居世界领先地位。量子反常霍尔效应被瑞典皇家科学院编写的《2016年诺贝尔物理科学背景介绍》列为拓扑物质领域具代表性的实验突破。介绍中说，“25年后，零磁场的量子反常霍尔效应在Cr-（Bi，Sb）2Te3薄膜中被发现，为这个物态提供第一个实验观测。”这也是改革开放40年来中国物理学家的成果第一次被放到这么重要的位置介绍。

作为团队的领头人，薛其坤获得了首届未来科学大奖的物质科学奖，奖金高达一百万美元。

薛其坤，这个助手和学生们口中智商、情商双高的“薛老师”，这个不管在哪里见到他，他都会先向你笑，那样咧开嘴，高兴到心里的笑，感染着团队所有人，让所有人“满血复活”的薛老师，这个时不时买好吃的、煮咖啡“贿赂”大家的“好人”，助手们都说，没有他，就不可能有量子反常霍尔效应的实验发现。

他的研究团队包括清华大学、中科院物理研究所等4个研究组，还有20多位研究生，研究组的成员有毕业于普林斯顿的物理学家王亚愚，有后来去了麻省理工学院深造和宾州州立大学任教的常翠祖，还有中科院的马旭村、何珂和吕力等，大家都是能人。分散在不同地方的实验团队成员，每天都通过电话和邮件交流实验结果，隔两三周就会充分讨论实验的所有细节。王亚愚说：“只有薛老师才能会聚起这么多人，能去做这项研究。”

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