導語
2023年度的國家最高科學技術獎獲得者增添一名，獲獎消息公布後，人們驚奇地發現，居然是一位凝聚态實體領域的實驗實體學家，這位國家最高科學技術獎獲得者叫做薛其坤。
在大陸的實體學家中，獲得這一殊榮的有米開朗基羅獎之稱的極少之少，可見薛其坤的研究成果各有多麼驚人。
在獲獎後公布的采訪中，薛其坤對媒體記者表示，自己所獲得的成就是他所上司的團隊一起取得的功績，他隻是一個有幸被選為代表的人。
從實驗角度解決電子器件中的難題。
1983年，霍爾效應的研究領域又出現了新的一種現象——“反常霍爾效應”，這種現象在一定程度上看起來是正常霍爾效應的逆運算，是以名字中有着“反常”二字。
常溫下大家都見過霍爾效應的實驗現象，通過一塊導電的材質做成的棒子，通上電流後水準放入垂直磁場中，材質内部會産生内部電荷分布，産生電勢差從材質兩端表面形成電壓，和電流垂直受力産生了霍爾電流。
然而反常霍爾效應在霍爾效應的基礎上又加了一種條件，就是在材質的濃度非常稀薄時出現非常高的霍爾電阻率。
這聽起來對一般人來說非常荒謬，然而在極低溫環境下，這種事卻真的發生了。
在極低溫度環境下，通電後的材質中的電子會按能級填充理論，基本不會有電子發生位移，電流非常小，而這時材質呈現的電壓也是非常小的，可以基本不考慮。
但當材質的濃度足夠稀疏，甚至到每種原子之間間隔比較大的程度，電子量子力學簡并現象就會顯現出來，上面說過，當電子量子化斥地霍爾效應的電子位移，電壓不可忽略。
起到作用的電壓并不大，當隻用經典霍爾效應的公式測量電阻率時，最終出來的電阻率值和齊曼效應所得相比非常小得多。
然而由于電子處于不同能級而表面附近電子簡并，電子之間發生互相排斥和排列，不同能級中的電子被壓縮在一起，電子的位移增大，霍爾電壓增大。
于是最終得出的霍爾電阻率和量子霍爾效應中測量出來的非常相近，主要是量子霍爾效應中霍爾電阻率公式中包含一個電子簡并能阻擋效應影響。
薛其坤上司的團隊在 2003 年首次觀測到了這種量子反常霍爾效應，這一結果在 2007 年被授予國家自然科學二等獎。
我們日常生活中見到的絕大多數電子器件都是由半導體材料制成的，霍爾電阻率是電子器件中非常重要的一個參數。
材質的電子量子化簡并程度越大，電阻率越小，電子器件的導通性就越好，而量子反常霍爾電阻率下材質密度的蛻變趨勢剛好相反。
電子在半導體器件中導通時産生的能量損失最終會以熱能形式運輸到環境中造成能量的損失，解決電子器件發熱問題是電子器件發展的根本問題，電子材料的發展也是在不斷尋求能夠提高導通性能并減少能耗的材料。
這其中量子反常霍爾基效應是一個非常重要的材料參數，電子器件制造商在選材時也會參照量子反常霍爾效應的電子能級填充程度來選擇材料。
如果能從實驗上證明量子反常霍爾效應的發生，那麼對于材料的研究和挑選就會大大提供友善，這便是薛其坤一行攻讀的難點。
當時量子反常霍爾效應被發現時，已經有很多實驗研究了材料在極低溫度下的導電性能的實驗伴随着量子霍爾效應被觀察過，大多數都是由GaAs材料的異質結構中的電子導電性能成果。
然而用于觀測量子反常霍爾效應的材料從來沒有經過人實驗觀察。
薛其坤一行人首先要解決的問題就是如何制備量子反常霍爾效應材料，如何通過精密的實驗調控材料中的各種化學參數。
是以薛其坤一行人從材料制備、實驗裝置的改進等多方面同時努力，在實驗過程中不斷地摸索出正确的方法，最終在量子反常霍爾效應的觀測實驗上取得最先進的成果。
三大創新發現以此為延展。
薛其坤所在的團隊的研究方向是凝聚态實體領域的實驗實體學家，他所上司的團隊主要的任務就是設計實驗裝置，進行凝聚态實體領域各種各樣的物性實驗。
在 2003 年量子反常霍爾效應測量成果公布後，薛其坤所在團隊的任務也有了清晰的方向，那就是量子反常霍爾效應的觀測實驗。
然而對于此前凝聚态實體領域的實驗實體學家來說，量子反常霍爾效應的觀測實驗也是極為困難的，因為直到 2003 年量子反常霍爾效應被發現也沒有人想到過會在半導體異質結構材料中發生量子反常霍爾效應。
在半導體異質結構中，材料的成分和結構都是由人工嚴格控制的，自然界的我們所能見到的材料，很難有人類之手都能夠精準排程各種化學參數，是以人們在實驗中通常會用已有的材料進行各種實驗研究。
薛其坤所在的團隊需要做的就是在已有的GaAs異質結構實驗裝置上進行改進，通過精密的化學作用真空蒸鍍儀和分子束外延工藝在異質結構中鍍上摻雜的捕獲中心和調控材料成分，進而制備量子反常霍爾效應材料。
然而這一過程并不是隻依靠薛其坤一行人的刻苦勞動就能夠完成的，實驗方法的創新是最重要的。
在 2003 年量子反常霍爾效應被發現後，研究人員首先在以往關于半導體知識上進行了總結，發現導緻反常霍爾效應發生的核心原因是材料中摻雜了金屬材料的銀原子，材料的介電常數随之不斷變化，進而在極低溫度下，材料中産生了摻雜中心與電子的互相作用，電子發生了位置量子化，進而出現了量子反常霍爾效應。
于是薛其坤一行人下定決心改進半導體材料的外延技術，嘗試通過高效的化學真空蒸鍍儀和精密的分子束外延實驗技術在材料中制備金屬銀原子的摻雜中心。
然而這一步走得并不順利，因為當時的人們依舊對反常霍爾效應一無所知，對于改進分子束外延實驗裝置技術并沒有清晰的方向，是以薛其坤一行人更多的工作是在瞎貓撈到的魚的情況下一步一步摸索出實驗方法。
最終，他們發現摻雜中心隻有在材料的Y原子量子點的外殼上才能夠形成量子簡并态，進而産生等效于金屬銀摻雜中心的空穴。
由于Y原子量子點的形成極大的複雜化了實驗材料的制備過程，是以，薛其坤一行人對原來的分子束外延工藝進行創新，最終發現将Y原子量子點直接覆寫在材料上能夠在材料中形成非常好的量子反常霍爾效應現象。
在制備完成量子反常霍爾效應材料後，如果沒有對實驗儀器進行改進，實驗結果也是不會太好的。
是以，薛其坤一行人對實驗儀器上的調控處理技術進行了改進，通過在Y原子量子點覆寫在樣品上後利用金屬鋁對樣品進行壓電調控的方法，最終在實驗中觀察到材料中發生量子反常霍爾效應。
在量子反常霍爾效應實驗觀測成功後，薛其坤所在的團隊完全不願意歇息，開始嘗試解決量子反常霍爾效應實驗中的其他難題，有了剛才親自動手做實驗的經驗，後續的幾個項目實驗過程中大家也都很有自信的。
在量子反常霍爾效應實驗中，薛其坤一行人在觀察到量子反常霍爾效應的基礎上，通過大量的實驗資料對材料中摻雜原子的結構進行了分析，并對摻雜原子的電子填充狀态産生了猜想。
但在當時的給出的觀測結果和猜想上一方面并不能系統地為量子反常霍爾效應提供實驗基礎，一方面也無法從科學上解釋量子反常霍爾效應的本質。
于是薛其坤上司的團隊組織了新一輪的實驗研究，通過在量子反常霍爾效應實驗中加大不同的化學原子的摻雜濃度，最終觀察到材料中高度空穴中心的現象，進而對量子反常霍爾效應的結構性知識有了系統的了解。
在第三輪的實驗中，他們改進了樣品的溫度控制裝置，通過對樣品進行了加熱脈沖，進而實作了樣品的摻雜中心的弛豫性知識的觀察，進而觀察到了量子反常霍爾效應的弛豫現象。
這三個實驗過程的創新開啟了凝聚态實體領域進一步的研究，薛其坤的團隊在量子反常霍爾效應的研究基礎上又有了許多研究成果，但是量子反常霍爾效應的研究内容和他們的功勞之多就不在叙述。
科學發現的意義。
薛其坤的研究方向是凝聚态實體領域，他的工作直接導緻凝聚态實體領域的新分支的誕生，而不僅僅是為這一新分支打開一條大門。
量子反常霍爾效應被發現後，相關領域的研究就像一把火被點燃了一樣開始快速前行起來，量子反常霍爾效應的研究内容不僅僅是實體學方面的，同樣還滲透到了化學生物等方面。
同時，量子反常霍爾效應的發現在與當時其他凝聚态實體領域的研究對比分析中被人們發現了更多實體現象，這種現象與量子反常霍爾效應其實根本就沒有關系，而隻是被當時人們對材料電子性質的研究中所忽略。
量子反常霍爾效應的發現其實就是一件幸事，不然被研究人員走向角落就隻能無聲無息了。
而薛其坤則可以将量子反常霍爾效應的研究成果應用在當時的其他研究内容上，進而對研究有着更大的進步。
量子反常霍爾效應的研究内容已經遠不止當時的自由電子氣體模型，薛其坤的研究成果也能在這個基礎上不斷地給其他領域研究提供新的思路。
同時，薛其坤在量子反常霍爾效應實驗過程中積累的光電實驗經驗也能夠在其他領域的研究中幫助薛其坤上司的團隊快速研究内容。
在之後他的團隊的研究成果中，就有人們能夠從研究内容中發現他們的光