進入資訊時代，晶片已然成為處理資訊的“大腦”。在指甲蓋大小的晶片裡封裝數十億個半導體，堪稱人類最複雜的壯舉之一。可是，當資料量指數性爆發，僅憑內建更多半導體不再“一招鮮”，元器件的發熱問題成為限制算力提升的瓶頸。而量子反常霍爾效應，則提供了實作超高性能電子器件的可能性。
“超海量資料時代會對資訊的存儲和處理提出極高的要求，需要一種完全創新的計算機，實作類似于超導、電阻等于零的無能耗輸運。”凝聚态實體學家、清華大學教授、中國科學院院士薛其坤說。
在材料中，電子的運動是高度無序的。電子和晶格振動、電子和雜質、電子和電子會不斷碰撞，産生電阻、發熱等效果。如果給薄膜材料外加一個強磁場，電子有可能立即“規矩”起來，沿着邊界不受阻礙地運動，這種有趣的現象叫做量子霍爾效應。假如能找到一種特殊材料，既有自發磁化，電子态又具有拓撲結構，則有可能在不外加磁場的情況下産生量子霍爾效應。這就是量子反常霍爾效應。
多年來，量子反常霍爾效應如同一個傳說中的“寶藏”，讓各國實體學家魂牽夢繞，卻沒人能證明它真實存在。
經過數年探索，薛其坤團隊通過分子束外延的辦法，制備出世界上首個具有鐵磁性、絕緣以及有拓撲特性的新奇實體性質材料的薄膜，首次在實驗室找到了這個“寶藏”。
6月24日，薛其坤獲得2023年度國家最高科學技術獎。
進入“沒有賽道的競技場”
1980年代，國際量子材料和物态領域基礎研究迎來爆發式發展。整數和分數量子霍爾效應等多項發現，開啟了拓撲量子物态這一新研究領域，并為發展低能耗電子器件帶來了新的可能。
不過，量子霍爾效應的産生需要非常強的外加磁場，這對其研究和應用都帶來了極大困難。試想一下，如果運作一枚具有量子霍爾效應的晶片，需要配備一台冰箱大小的強磁場發生器，誰能接受？
2016年諾貝爾實體學獎獲得者霍爾丹（F. D. M. Haldane）于1988年提出，有可能存在不需要外加磁場的量子霍爾效應體系。但他的假設離實際材料體系相距甚遠。此後20多年裡，在真實材料中發現量子反常霍爾效應，一直是凝聚态實體學的重大科學目标之一。
2005年，拓撲絕緣體概念被提出，科學家認為，在拓撲絕緣體薄膜中引入鐵磁性，理論上有可能實作量子反常霍爾效應。但要在實驗中實作這一效應卻極為困難。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，進而具有導電的一維邊緣态，即一維導電通道；二是材料内必須具有長程鐵磁序，進而無需借助外磁場而存在反常霍爾效應；三是材料體内必須為絕緣态，對導電沒有任何貢獻，隻有一維邊緣态參與導電。在實驗中，想實作以上任何一點都很難，即使在理論上，能否同時滿足這三個條件也存在很大不确定性。是以，有人将這項全球實驗實體學家面臨的巨大挑戰，形容為“沒有賽道的競技場”。
薛其坤在實驗室。圖檔來源：清華大學
從2008年起，薛其坤團隊利用分子束外延生長-低溫強磁場掃描隧道顯微鏡-角分辨光電子能譜相結合的獨特技術手段，開始對拓撲絕緣體開展研究。他們首次建立了Bi2Te3家族拓撲絕緣體的分子束外延生長動力學，發展出嚴格控制材料組分的三溫度法，生長出國際上品質最高的拓撲絕緣體樣品。該方法後來成為國際上通用的拓撲絕緣體樣品制備方法。
随後，他們首次利用角分辨光電子能譜，繪制出三維拓撲絕緣體在二維極限下的電子能帶結構演化。這項成果為基于拓撲絕緣體薄膜的大量後續工作打下了基礎。他們利用低溫強磁場掃描隧道顯微鏡技術，揭示出拓撲絕緣體表面态的拓撲保護性和朗道量子化等獨特性質，在國際上産生了很大的學術影響。這一系列努力與成果，使大陸在拓撲絕緣體領域跻身國際領先行列。
在此基礎上，薛其坤将目光投向了量子反常霍爾效應。“對于科學家來講，這是一個非常奇妙的實體現象，我們很希望把這個謎揭開，看看它到底是不是存在。而且，在國家支援下，我們的相關實驗技術也達到了這個水準。”他說，“正可謂天時地利人和。”
2009年，薛其坤帶領量子反常霍爾效應實驗團隊，進入了“沒有賽道的競技場”。
一條儲存了12年的短信
“當年薛老師找到我和幾位老師，說國際上有理論預言，可以在磁性拓撲絕緣體中尋找量子反常霍爾效應，并邀請我們一起攻關來發現這個效應。”清華大學實體系教授王亞愚回憶，自己當時立即被吸引了。
2009年，薛其坤團隊與來自清華大學、中國科學院實體研究所、美國斯坦福大學的合作者們，基于所獲得的高品質拓撲絕緣體薄膜，開始對量子反常霍爾效應進行實驗攻關。
攻關過程極為艱辛，面臨學術、技術以及路線等衆多複雜的問題。薛其坤介紹說，制備厚度約5納米的薄膜并不難，難的是要在原子尺度上控制摻雜的元素，更難的是要在電子層次上把結構、材料和實體性質之間的内在關聯了解清楚，為下一個實驗尋找方向。
在不斷摸索中，研究團隊制備出組分、厚度均精确可控的三元拓撲絕緣體薄膜，實作通過薄膜化學組分比例和電場效應，調控拓撲表面态的能帶結構和薄膜的載流子類型與濃度。他們通過在該薄膜中摻雜磁性鉻原子，在其中建立了鐵磁序，以及垂直于薄膜面的易磁化軸。據統計，他們共制備了1000多個樣品，最終獲得的材料可以兼具鐵磁性、絕緣性和拓撲性，是實作量子反常霍爾效應的理想材料系統。“每個樣品從生長到測量，至少需要三四天時間。”薛其坤說，“大家把能力發揮到了極緻，他們付出的努力令人驚訝。”
2017年10月，清華大學低維量子實體國家重點實驗室，薛其坤（左三）與學生讨論實驗工作。苑潔 攝
2012年初，工作遇到瓶頸。“所有需要的條件我們似乎都已經達到了，但是得到的結果離最終的成功還很遙遠。”團隊成員、清華大學實體系教授何珂回憶說。
薛其坤并不認為這是失敗。“在實驗上，如果我們達不到目标，說明我們的學術判斷不一定正确，這是一個提高學術能力的機會。在科學探索中，把不通的路找出來也是貢獻。”他說。
在他的鼓勵和開導下，大家重新靜下心來，并決定轉變思路，做“減法”，逐一排除樣品中可能存在的各種問題。
薛其坤的手機裡，至今保留着一條2012年10月12日收到的短信。
那是一個周五。當晚值班的項目組成員常翠祖，看到了量子反常霍爾效應初步迹象，于是迅速給薛其坤發了短信。“那天我回家早一點，大概十點半左右，剛停下車就收到消息。”薛其坤對此記憶猶新，“當時非常激動，也很欣慰。”
“最初決定做這項實驗的時候，其實我們有心理準備，也許我們努力之後發現量子反常霍爾效應并不存在。”薛其坤說，“最終我們在基礎研究中發現了這一科學規律。對于科學家來講，這是一種莫大的幸福。”
努力推動成果應用
量子反常霍爾效應是新中國成立以來大陸實體學家發現的重要科學效應之一，是中國實體學界對世界實體學發展作出的一項重大貢獻。
“這個成果的産生，應該是對國家、人民長期大力支援的回報。”薛其坤表示。
成果發表後，産生了巨大的國際學術影響，得到了楊振甯等著名實體學家的高度評價。薛其坤于2014年、2022年兩次受邀在由諾貝爾基金會發起的諾貝爾論壇作特邀報告，還在2014年國際分子束外延大會、2014年國際半導體實體大會等相關領域最有影響力的國際會議上作大會特邀報告。
該成果也推動了相關研究的快速發展。此後數年間，各國研究者通過對磁性拓撲絕緣體材料性質的改進，将量子反常霍爾效應的實作溫度從0.03開爾文（K）提升到1開爾文以上。美國、日本、德國等國的國家計量機構均開展了基于量子反常霍爾效應的電阻量子标準研究，量子反常霍爾電阻的精确度已初步滿足應用于電阻量子标準的條件。量子反常霍爾效應還在超冷原子系統、内禀磁性拓撲絕緣體系統、轉角石墨烯、轉角過渡金屬硫化物系統中被觀測到。如今，量子反常霍爾效應相關研究已成為國際實體學發展最快的研究方向之一。
薛其坤團隊也在相關研究中不斷取得新成果，繼續引領着該方向的國際學術進展。他們與合作者在2018年首次發現一種内禀磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4，這種材料具有規則排列的磁性原子和巨大的磁能隙，有可能實作更高工作溫度的量子反常霍爾效應，進而使其能在電子器件中應用。這一發現開啟了國際上一個新的熱點研究方向，近年已有科學家基于該材料，在30K溫度觀測到磁場輔助下量子反常霍爾态存在的證據，進一步增大了基于此材料實作高溫量子反常霍爾效應的希望。
“我們還要提高量子反常霍爾效應的觀察溫度，尋找更便宜的材料，使它盡快應用到實際中去。這是我們正在努力的方向。”薛其坤說。
山區走出的戰略科學家
薛其坤曾自比為“一艘從沂蒙山區駛出的小船”。
1980年，他離開老家山東省臨沂市蒙陰縣，考入山東大學光學系。他自我評價說，自己當時“不算特别努力，中規中矩完成了學業”。畢業那年，他沒考上研究所學生，工作兩年後又考，再次落榜。1987年，他考入中國科學院實體研究所，開始了研究所學生學習。5年後，在導師陸華的幫助下，他作為中日聯合培養博士生，前往日本東北大學金屬材料研究所學習。
薛其坤（左）與大學同學合影。受訪者供圖
在日本的學習，給薛其坤帶來了兩大影響。一是使他養成了“7-11”工作習慣。他回憶說：“在此期間，我第一次接觸到世界上最先進的實驗技術和國際開放的環境。這是非常難得的機遇，我很珍惜。是以每天早上7點到實驗室，晚上11點離開，以求用更長的工作時間盡可能掌握更多實驗技術。”二是他逐漸養成了極為嚴謹的實驗科學研究态度。
1994年，薛其坤回國完成答辯，在中國科學院實體研究所獲得博士學位，随後繼續赴日本東北大學工作，并作為通路學者，在美國北卡萊羅納州立大學實體系做了一年的博士後。1999年，他回國，在中國科學院實體研究所擔任研究員。2005年起，他任清華大學實體系教授。
“在國外7年多時間，我看到了國家在科學研究上、國人在生活水準上，跟發達國家的巨大差距。”薛其坤說，“這種經曆堅定了我想為國家多做點事的信念。我希望祖國在科技各個方面都變得強大，希望中國人活得更幸福、更有尊嚴。”
薛其坤（左一）在日本求學期間與導師櫻井教授合影。受訪者供圖
帶着這份信念，薛其坤投身于祖國科研事業，每天早上7點到實驗室，晚上11點離開。常有學生想跟他比比誰能更早到、更晚離開實驗室，但沒人能像他那樣多年如一日地堅持。
如今，他已成為大陸在量子科技領域的傑出戰略科學家。除了量子反常霍爾效應，他還帶領團隊發現界面增強高溫超導，實作高溫超導領域的重要突破，在國際上開辟了高溫超導的全新研究方向。
在人才培養、團隊建設等方面，薛其坤同樣成果顯著。他的團隊中已有1人當選中國科學院院士、30餘人次入選國家級人才計劃，共培養博士生、博士後120餘名，為大陸低維實體、量子材料領域建立了具有國際水準的人才隊伍。
山區裡駛出的“小船”，如今已成為馳騁在科學海洋裡的“巨艦”，在潮頭浪尖領航。
來源：科技日報