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由中國科學院物理研究所和清華大學物理系的科研人員組成的聯(lián)合攻關團隊，經(jīng)過數(shù)年不懈探索和艱苦攻關，最近成功實現(xiàn)了“量子反?；魻栃?rdquo;。這是國際上該領域的一項重要科學突破，該物理效應從理論研究到實驗觀測的全過程，都是由我國科學家獨立完成。

由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學、中科院物理所組成的團隊從實驗上首次觀測到量子反?；魻栃?，在美國物理學家霍爾于1880年發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應133年后終于實現(xiàn)了反?；魻栃牧孔踊?。這一研究成果已經(jīng)發(fā)表在權(quán)威雜志《科學》上。

諾貝爾物理學獎獲得者、清華大學高等研究院名譽院長楊振寧在昨天（4月10日）新聞發(fā)布會上說，這項成果堪稱諾貝爾獎級科研成果。

中科院院士薛其坤

困擾科學界20余年的難題

量子霍爾效應是整個凝聚態(tài)物理領域最重要、最基本的量子效應之一。它是一種典型的宏觀量子效應，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個完美體現(xiàn)。1980年，德國科學家馮•克利青（Klaus von Klitzing）發(fā)現(xiàn)了“整數(shù)量子霍爾效應”，于1985年獲得諾貝爾物理學獎。1982年，美籍華裔物理學家崔琦（Daniel CheeTsui）、美國物理學家施特默（Horst L. Stormer）等發(fā)現(xiàn)“分數(shù)量子霍爾效應”，不久由美國物理學家勞弗林（Rober B. Laughlin）給出理論解釋，三人共同獲得1998年諾貝爾物理學獎。在量子霍爾效應家族里，至此仍未被發(fā)現(xiàn)的效應是“量子反?；魻栃?rdquo;——不需要外加磁場的量子霍爾效應。

圖一，量子反?；魻栃氖疽鈭D，拓撲非平庸的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生具有手征性的邊緣態(tài)，從而導致量子反常霍爾效應

“量子反?；魻栃?rdquo;是多年來該領域的一個非常困難的重大挑戰(zhàn)，它與已知的量子霍爾效應具有完全不同的物理本質(zhì)，是一種全新的量子效應；同時它的實現(xiàn)也更加困難，需要精準的材料設計、制備與調(diào)控。1988年，美國物理學家霍爾丹（F. Duncan M. Haldane）提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應，但是多年來一直未能找到能實現(xiàn)這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。

在世界頂級機構(gòu)的競爭中脫穎而出

2010年，中科院物理所方忠、戴希帶領的團隊與張首晟教授等合作，從理論與材料設計上取得了突破，他們提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓撲絕緣體中存在著特殊的V.Vleck鐵磁交換機制，能形成穩(wěn)定的鐵磁絕緣體，是實現(xiàn)量子反常霍爾效應的最佳體系［Science，329, 61（2010）］。他們的計算表明，這種磁性拓撲絕緣體多層膜在一定的厚度和磁交換強度下，即處在“量子反?；魻栃?rdquo;態(tài)。該理論與材料設計的突破引起了國際上的廣泛興趣，許多世界頂級實驗室都爭相投入到這場競爭中來，沿著這個思路尋找量子反?；魻栃?。

圖二，理論計算得到的磁性拓撲絕緣體多層膜的能帶結(jié)構(gòu)和相應的霍爾電導

在磁性摻雜的拓撲絕緣體材料中實現(xiàn)“量子反?；魻栃?rdquo;，對材料生長和輸運測量都提出了極高的要求：材料必須具有鐵磁長程有序；鐵磁交換作用必須足夠強以引起能帶反轉(zhuǎn)，從而導致拓撲非平庸的帶結(jié)構(gòu)；同時體內(nèi)的載流子濃度必須盡可能地低。最近，中科院物理所何珂、呂力、馬旭村、王立莉、方忠、戴希等組成的團隊和清華大學物理系薛其坤、張首晟、王亞愚、陳曦、賈金鋒等組成的團隊合作攻關，在這場國際競爭中顯示了雄厚的實力。他們克服了薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關，一步一步實現(xiàn)了對拓撲絕緣體的電子結(jié)構(gòu)、長程鐵磁序以及能帶拓撲結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，利用分子束外延方法生長出了高質(zhì)量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜，并在極低溫輸運測量裝置上成功地觀測到了“量子反?；魻栃?rdquo;。該結(jié)果于2013年3月14日在Science上在線發(fā)表，清華大學和中科院物理所為共同第一作者單位。

圖三，在Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜中測量到的霍爾電阻

該成果的獲得是我國科學家長期積累、協(xié)同創(chuàng)新、集體攻關的一個成功典范。前期，團隊成員已在拓撲絕緣體研究中取得過一系列的進展，研究成果曾入選2010年中國科學十大進展和中國高校十大科技進展，團隊成員還獲得了2011年“求是杰出科學家獎”、“求是杰出科技成就集體獎”和“中國科學院杰出科技成就獎”，以及2012年“全球華人物理學會亞洲成就獎”、“陳嘉庚科學獎”等榮譽。該工作得到了中國科學院、科技部、國家自然科學基金委員會和教育部等部門的資助。

新發(fā)現(xiàn)的實用價值

量子反?；魻栃陌l(fā)現(xiàn)說明了中國在精密制造、材料制備、精密測量等方面的技術達到了世界頂尖水平。今后中國將有能力在更多的科技前沿項目上取得進步。

同時，這一效應在芯片制造領域?qū)⒂兄匾獞脙r值，目前有許多傳感器利用霍爾效應來工作。而中國科學家新發(fā)現(xiàn)則可以讓霍爾效應在無強磁場的情況下也能發(fā)揮作用。這有望大大降低芯片發(fā)熱量，進一步縮小芯片的體積，增強芯片性能。此外，這一效應也是制造量子計算機的基礎，量子計算機的計算速度，儲存能力等都將比現(xiàn)有計算機有巨大的提高。

或沖擊諾貝爾獎

1980年，德國科學家馮•克利青（Klaus von Klitzing）發(fā)現(xiàn)了“整數(shù)量子霍爾效應”，于1985年獲得諾貝爾物理學獎。1982年，美籍華裔物理學家崔琦（Daniel CheeTsui）、美國物理學家施特默（Horst L. Stormer）等發(fā)現(xiàn)“分數(shù)量子霍爾效應”，不久由美國物理學家勞弗林（Rober B. Laughlin）給出理論解釋，三人共同獲得1998年諾貝爾物理學獎。