薛其坤：發現量子反常霍爾效應是中國對人類科學重要貢獻

據中新網1月8日消息，中國2018年度國家科技獎勵大會8日在北京舉行，中國科學院院士、清華大學副校長薛其坤教授領導的清華大學、中科院物理研究所實驗團隊完成的“量子反常霍爾效應的實驗發現”項目，獲得本年度國家自然科學獎項中唯一的一等獎。

薛其坤教授1987年考入中國科學院物理研究所師從陸華研究員攻讀碩士和博士學位。1992-1994年作為中日聯合培養博士生在日本東北大學金屬材料研究所櫻井研究室做訪問研究。1996-1997年他以訪問助理教授身份在美國北卡萊羅納州立大學物理系Aspnes教授的研究組做研究一年。

1999年薛其坤教授回到中國，着手搭建在中科院物理所的實驗室，着力發展國內落後的高靈敏的試驗技術，並大力培養這方面國內稀缺的人才。他先後作為首席科學家承擔了科技部的重大研究計劃項目。在拓撲絕緣體、低維超導和納米科學等三個物理學的熱點研究方向上，他的研究團隊研究水平處於世界領先行列，在國際上開闢了利用分子束外延-掃描隧道顯微鏡研究的拓撲絕緣體和低維超導的研究方向。

從2009年起，薛其坤教授領導的實驗研究團隊與清華大學、中科院物理所、斯坦福大學的研究者合作，對量子反常霍爾效應的實驗實現進行攻關。歷時4年努力，薛其坤教授團隊實驗了逾千個樣品，終於找到一種叫做磁生拓樸絕緣體薄膜的特殊材料，並從實驗中觀測到“量子反常霍爾效應”。

在凝聚態物理領域，量子霍爾效應研究是一個非常重要的研究方向。量子反常霍爾效應不同於量子霍爾效應，它不依賴與強磁場而由材料本身的自發磁化產生。在零磁場中就可以實現量子霍爾效應，更容易應用到人們日常所需的電子器件中。薛其坤教授團隊從實驗上觀測到“量子反常霍爾效應”是世界首次。

“建立新的科學理論、發現新的科學效應和科學規律是基礎研究‘皇冠上的明珠’。”薛其坤院士接受採訪時表示，量子反常霍爾效應是一個基於全新物理原理的科學效應，是新中國成立以來中國獨立觀測到的不多的科學效應之一，是中國物理學工作者對人類科學知識寶庫的一個重要貢獻。

他認為，量子反常霍爾效應的發現是改革開放40年間中國在基礎研究上的一個重大成果，也標誌着中國拓撲量子物理的實驗研究居世界領先地位。

據瞭解，通過實驗在真實材料中發現量子反常霍爾效應，長期以來一直是物理學家追求的目標。自1988年開始就不斷有理論物理學家提出各種方案，然而之前在實驗上沒有取得任何重要進展。因為反常霍爾效應的量子化需要材料的性質同時滿足三項非常苛刻的條件：

一是材料的能帶結構必須具有拓撲特性從而具有導電的一維邊緣態，即一維導電通道；二是材料必須具有長程鐵磁序從而存在反常霍爾效應；三是材料的體內必須為絕緣態從而對導電沒有任何貢獻，只有一維邊緣態參與導電。在實際的材料中實現以上任何一點都具有相當大的難度，而要同時滿足這三點對實驗物理學家來講更是一個巨大的挑戰。

薛其坤研究團隊長期以來結合分子束外延生長、極低温強磁場掃描隧道顯微鏡、角分辨光電子能譜技術，在表面、界面、低維物理學領域做出了國際一流的工作。2008年，薛其坤研究團隊抓住拓撲絕緣體這個新領域興起的契機，在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的生長動力學機制，利用分子束外延生長出國際最高質量的樣品。

薛其坤教授團隊的“反常量子霍爾效應”的實驗發現引發國際學術界高度關注，其研究成果論文很快被《科學》雜誌接受發表，三名匿名審稿人一致給予高度評價。著名物理學家、諾貝爾獎得主楊振寧直言，這是第一次從中國實驗室裏發表的諾貝爾獎級的物理學論文。

“量子反常霍爾效應”這項重大發現不僅是科學上的重要突破，研究成果應用方面也具有意義深遠的影響，它將會推動新一代的低能耗晶體管和電子學器件的發展，可能加速推進信息技術革命的進程。

“量子反常霍爾效應”研究團隊在清華大學的實驗室得到國家強力支持，擁有的五套精密實驗系統基本上都是當前世界的最高水平，科研儀器不但能在材料的原子尺度上控制材料的生長，還可以在原子尺度上表徵它的性能，從而把材料的量子特性以及物理、化學特性在控制方面達到一個前所未有的水平。

薛其坤教授指出，嚴謹高效的團隊合作、過硬的實驗技術，也使得中國科學家率先發現的量子反常霍爾效應經受住了歷史的考驗，成果論文發表後，實驗結果已先後得到東京大學、麻省理工學院、斯坦福大學、普林斯頓大學等科學界同行的反覆嚴格驗證。

他表示，“量子反常霍爾效應”研究團隊要以獲得國家自然科學獎一等獎為契機，繼續努力探索，爭取做出更多新的科學發現，推動成果應用的發展，增強中國人的科學自信、文化自信，為中華民族真正走向世界科學的中央和站穩中央、堅守中央作出貢獻。