發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃獮槿祟惪茖W知識寶庫貢獻璀璨明珠

2019年1月8日召開的國家科學技術獎勵大會上，中國科學院院士、清華大學副校長薛其坤領銜，由清華大學和中科院物理所實驗團隊完成的“量子反?；魻栃膶嶒灠l(fā)現(xiàn)”摘得2018年度國家自然科學獎一等獎。

量子反?；魻栃氖状螌嶒灠l(fā)現(xiàn)，是世界物理學界近幾年最重要的實驗進展之一。諾貝爾獎獲得者楊振寧評價其為“第一次從中國實驗室里發(fā)表的諾貝爾獎級的物理學論文”。

巨大的實驗挑戰(zhàn)成就非凡的意義

量子霍爾效應是現(xiàn)代物理學的重要研究領域，與其相關的研究發(fā)現(xiàn)曾四次摘得諾貝爾獎。與宏觀世界不同，微觀世界的運行由量子力學規(guī)律支配。能夠在宏觀尺度顯示量子力學效應的量子材料讓科學家們夢寐以求。然而，從真實材料中發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?，在實驗上一直沒有取得任何進展。薛其坤說，要觀察到量子反?；魻栃枰牧系男再|(zhì)同時滿足三個苛刻條件：絕緣的、拓撲的、磁性的。但在實際材料中，實現(xiàn)以上任何一點都具有相當大難度，更別說同時滿足三點。“就如同要求一個人同時具有短跑運動員的速度、籃球運動員的高度、體操運動員的靈巧一樣?！庇醚ζ淅さ脑捳f，這是一個“自相矛盾”的要求。幸運的是，2008年，薛其坤團隊抓住拓撲絕緣體這個新領域的契機，在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的生長動力學機制，并利用掃描隧道顯微鏡揭示出拓撲絕緣體表面態(tài)的拓撲保護性和朗道量子化獨特性質(zhì)。

2009年，薛其坤領導的實驗團隊對量子反常霍爾效應的實驗進行攻關。2012年底，團隊從實驗上首次觀測到量子反?；魻栃Ｔ诿绹锢韺W家霍爾于1880年發(fā)現(xiàn)反?；魻栃?33年后，終于實現(xiàn)了反?；魻栃牧孔踊榱藢崿F(xiàn)這一基礎科學領域的重大突破，薛其坤和他的團隊花了整整4年時間。薛其坤形象地說，量子反應的量子化的發(fā)現(xiàn)可以改變電子的運動軌跡，使其像在高速公路上行駛的汽車一樣有序。這項研究成果將會推動新一代的低能耗晶體管和電子學器件的發(fā)展，解決電腦發(fā)熱、能量耗損等問題。對普通大眾來說，最直接的影響就是有可能擺脫手機或電腦發(fā)熱、耗電快、運行慢等困擾。

團隊合作只為攻克一個不確定目標

重大實驗發(fā)現(xiàn)是對人類智慧的一個巨大挑戰(zhàn)，這對研究團隊的科研素養(yǎng)和積累，以及實驗技術水平的要求都非常高。量子反?；魻栃陌l(fā)現(xiàn)是團隊精誠合作，聯(lián)合攻關的共同成果，是中國科學家的集體榮譽。薛其坤自豪地說大家為了一個共同的不確定的目標，從單兵作戰(zhàn)走到了一起?！懊闇释恢卮罂茖W目標，不同擅長但相對獨立的單元科研團隊的成員間形成了高效合作，其深度和持久性在國內(nèi)外也不多見?！?/p>

自2009年起，在薛其坤帶領下，這支團隊在近4年的時間里，生長和測量了超過1 000個樣品。現(xiàn)在，這個誕生于中國本土的優(yōu)秀科研團隊仍然在為量子反常霍爾效應的應用前景奮斗著。薛其坤表示，任何一個現(xiàn)象從原理性的發(fā)現(xiàn)走到應用，都需要不同領域科學家和工業(yè)界的共同努力，他和團隊愿意與更多人合作，努力將這個領域發(fā)揚光大，不斷推動它向應用方向發(fā)展。

做基礎研究離不開強大的國家支持

談到從事這個項目最大的挑戰(zhàn)，薛其坤認為并非來自技術層面，而是目標的不確定性?！耙膊恢姥刂@條路走下去到底對不對?！闭归_實驗的4年里，團隊成員通過一次次的生長、測量、反饋、調(diào)整，爭取每一步都做到極致。背后支撐實驗一步一個腳印走下去的是精密的試驗系統(tǒng)，這是實驗水平和科研能力的集中彰顯。薛其坤團隊的實驗室位于清華大學一棟普通實驗樓內(nèi)，踏入實驗室，映入眼簾的是密密麻麻擺放著的科研儀器，其中有五套精密實驗系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)絕無僅有，這些儀器成就了實驗技術的最好水平。為保障薛其坤團隊的研究開展，清華大學通過各種途徑創(chuàng)造最優(yōu)工作環(huán)境。“這在很大程度上得益于最近20年中國對基礎研究的重視和大力投入。

“薛其坤說。量子反?；魻栃陌l(fā)現(xiàn)，堪稱我國在基礎研究上的一個重大成果。薛其坤認為，日益強大的國力、良好完善的科技政策、科學系統(tǒng)的科技規(guī)劃、催人奮進的創(chuàng)新氛圍是基礎和保障。建立新的科學理論、發(fā)現(xiàn)新的科學效應和科學規(guī)律是基礎研究皇冠上的明珠。摘取這顆明珠，一直是薛其坤團隊科研道路上的動力與使命。量子反?；魻栃陌l(fā)現(xiàn)，就是薛其坤團隊為人類科學知識寶庫貢獻的一顆璀璨明珠?！盀槿祟惏l(fā)展和科學進步做貢獻，同樣是一個國家強大的標志?！毖ζ淅ふf，“科學技術應用無國界，中國科學家應該為人類命運共同體的建造，為世界科學的進步貢獻自己的力量?！?/p>