导语
2023年度的国家最高科学技术奖获得者增添一名，获奖消息公布后，人们惊奇地发现，居然是一位凝聚态物理领域的实验物理学家，这位国家最高科学技术奖获得者叫做薛其坤。
在大陆的物理学家中，获得这一殊荣的有米开朗基罗奖之称的极少之少，可见薛其坤的研究成果各有多么惊人。
在获奖后公布的采访中，薛其坤对媒体记者表示，自己所获得的成就是他所领导的团队一起取得的功绩，他只是一个有幸被选为代表的人。
从实验角度解决电子器件中的难题。
1983年，霍尔效应的研究领域又出现了新的一种现象——“反常霍尔效应”，这种现象在一定程度上看起来是正常霍尔效应的逆运算，因此名字中有着“反常”二字。
常温下大家都见过霍尔效应的实验现象，通过一块导电的材质做成的棒子，通上电流后水平放入垂直磁场中，材质内部会产生内部电荷分布，产生电势差从材质两端表面形成电压，和电流垂直受力产生了霍尔电流。
然而反常霍尔效应在霍尔效应的基础上又加了一种条件，就是在材质的浓度非常稀薄时出现非常高的霍尔电阻率。
这听起来对一般人来说非常荒谬，然而在极低温环境下，这种事却真的发生了。
在极低温度环境下，通电后的材质中的电子会按能级填充理论，基本不会有电子发生位移，电流非常小，而这时材质呈现的电压也是非常小的，可以基本不考虑。
但当材质的浓度足够稀疏，甚至到每种原子之间间隔比较大的程度，电子量子力学简并现象就会显现出来，上面说过，当电子量子化斥地霍尔效应的电子位移，电压不可忽略。
起到作用的电压并不大，当只用经典霍尔效应的公式测量电阻率时，最终出来的电阻率值和齐曼效应所得相比非常小得多。
然而由于电子处于不同能级而表面附近电子简并，电子之间发生相互排斥和排列，不同能级中的电子被压缩在一起，电子的位移增大，霍尔电压增大。
于是最终得出的霍尔电阻率和量子霍尔效应中测量出来的非常相近，主要是量子霍尔效应中霍尔电阻率公式中包含一个电子简并能阻挡效应影响。
薛其坤领导的团队在 2003 年首次观测到了这种量子反常霍尔效应，这一结果在 2007 年被授予国家自然科学二等奖。
我们日常生活中见到的绝大多数电子器件都是由半导体材料制成的，霍尔电阻率是电子器件中非常重要的一个参数。
材质的电子量子化简并程度越大，电阻率越小，电子器件的导通性就越好，而量子反常霍尔电阻率下材质密度的蜕变趋势刚好相反。
电子在半导体器件中导通时产生的能量损失最终会以热能形式运输到环境中造成能量的损失，解决电子器件发热问题是电子器件发展的根本问题，电子材料的发展也是在不断寻求能够提高导通性能并减少能耗的材料。
这其中量子反常霍尔基效应是一个非常重要的材料参数，电子器件制造商在选材时也会参照量子反常霍尔效应的电子能级填充程度来选择材料。
如果能从实验上证明量子反常霍尔效应的发生，那么对于材料的研究和挑选就会大大提供方便，这便是薛其坤一行攻读的难点。
当时量子反常霍尔效应被发现时，已经有很多实验研究了材料在极低温度下的导电性能的实验伴随着量子霍尔效应被观察过，大多数都是由GaAs材料的异质结构中的电子导电性能成果。
然而用于观测量子反常霍尔效应的材料从来没有经过人实验观察。
薛其坤一行人首先要解决的问题就是如何制备量子反常霍尔效应材料，如何通过精密的实验调控材料中的各种化学参数。
因此薛其坤一行人从材料制备、实验装置的改进等多方面同时努力，在实验过程中不断地摸索出正确的方法，最终在量子反常霍尔效应的观测实验上取得最先进的成果。
三大创新发现以此为延展。
薛其坤所在的团队的研究方向是凝聚态物理领域的实验物理学家，他所领导的团队主要的任务就是设计实验装置，进行凝聚态物理领域各种各样的物性实验。
在 2003 年量子反常霍尔效应测量成果公布后，薛其坤所在团队的任务也有了清晰的方向，那就是量子反常霍尔效应的观测实验。
然而对于此前凝聚态物理领域的实验物理学家来说，量子反常霍尔效应的观测实验也是极为困难的，因为直到 2003 年量子反常霍尔效应被发现也没有人想到过会在半导体异质结构材料中发生量子反常霍尔效应。
在半导体异质结构中，材料的成分和结构都是由人工严格控制的，自然界的我们所能见到的材料，很难有人类之手都能够精准调度各种化学参数，因此人们在实验中通常会用已有的材料进行各种实验研究。
薛其坤所在的团队需要做的就是在已有的GaAs异质结构实验装置上进行改进，通过精密的化学作用真空蒸镀仪和分子束外延工艺在异质结构中镀上掺杂的捕获中心和调控材料成分，从而制备量子反常霍尔效应材料。
然而这一过程并不是只依靠薛其坤一行人的刻苦劳动就能够完成的，实验方法的创新是最重要的。
在 2003 年量子反常霍尔效应被发现后，研究人员首先在以往关于半导体知识上进行了总结，发现导致反常霍尔效应发生的核心原因是材料中掺杂了金属材料的银原子，材料的介电常数随之不断变化，从而在极低温度下，材料中产生了掺杂中心与电子的相互作用，电子发生了位置量子化，进而出现了量子反常霍尔效应。
于是薛其坤一行人下定决心改进半导体材料的外延技术，尝试通过高效的化学真空蒸镀仪和精密的分子束外延实验技术在材料中制备金属银原子的掺杂中心。
然而这一步走得并不顺利，因为当时的人们依旧对反常霍尔效应一无所知，对于改进分子束外延实验装置技术并没有清晰的方向，因此薛其坤一行人更多的工作是在瞎猫捞到的鱼的情况下一步一步摸索出实验方法。
最终，他们发现掺杂中心只有在材料的Y原子量子点的外壳上才能够形成量子简并态，从而产生等效于金属银掺杂中心的空穴。
由于Y原子量子点的形成极大的复杂化了实验材料的制备过程，因此，薛其坤一行人对原来的分子束外延工艺进行创新，最终发现将Y原子量子点直接覆盖在材料上能够在材料中形成非常好的量子反常霍尔效应现象。
在制备完成量子反常霍尔效应材料后，如果没有对实验仪器进行改进，实验结果也是不会太好的。
因此，薛其坤一行人对实验仪器上的调控处理技术进行了改进，通过在Y原子量子点覆盖在样品上后利用金属铝对样品进行压电调控的方法，最终在实验中观察到材料中发生量子反常霍尔效应。
在量子反常霍尔效应实验观测成功后，薛其坤所在的团队完全不愿意歇息，开始尝试解决量子反常霍尔效应实验中的其他难题，有了刚才亲自动手做实验的经验，后续的几个项目实验过程中大家也都很有自信的。
在量子反常霍尔效应实验中，薛其坤一行人在观察到量子反常霍尔效应的基础上，通过大量的实验数据对材料中掺杂原子的结构进行了分析，并对掺杂原子的电子填充状态产生了猜想。
但在当时的给出的观测结果和猜想上一方面并不能系统地为量子反常霍尔效应提供实验基础，一方面也无法从科学上解释量子反常霍尔效应的本质。
于是薛其坤领导的团队组织了新一轮的实验研究，通过在量子反常霍尔效应实验中加大不同的化学原子的掺杂浓度，最终观察到材料中高度空穴中心的现象，从而对量子反常霍尔效应的结构性知识有了系统的了解。
在第三轮的实验中，他们改进了样品的温度控制装置，通过对样品进行了加热脉冲，从而实现了样品的掺杂中心的弛豫性知识的观察，从而观察到了量子反常霍尔效应的弛豫现象。
这三个实验过程的创新开启了凝聚态物理领域进一步的研究，薛其坤的团队在量子反常霍尔效应的研究基础上又有了许多研究成果，但是量子反常霍尔效应的研究内容和他们的功劳之多就不在叙述。
科学发现的意义。
薛其坤的研究方向是凝聚态物理领域，他的工作直接导致凝聚态物理领域的新分支的诞生，而不仅仅是为这一新分支打开一条大门。
量子反常霍尔效应被发现后，相关领域的研究就像一把火被点燃了一样开始快速前行起来，量子反常霍尔效应的研究内容不仅仅是物理学方面的，同样还渗透到了化学生物等方面。
同时，量子反常霍尔效应的发现在与当时其他凝聚态物理领域的研究对比分析中被人们发现了更多物理现象，这种现象与量子反常霍尔效应其实根本就没有关系，而只是被当时人们对材料电子性质的研究中所忽略。
量子反常霍尔效应的发现其实就是一件幸事，不然被研究人员走向角落就只能无声无息了。
而薛其坤则可以将量子反常霍尔效应的研究成果应用在当时的其他研究内容上，从而对研究有着更大的进步。
量子反常霍尔效应的研究内容已经远不止当时的自由电子气体模型，薛其坤的研究成果也能在这个基础上不断地给其他领域研究提供新的思路。
同时，薛其坤在量子反常霍尔效应实验过程中积累的光电实验经验也能够在其他领域的研究中帮助薛其坤领导的团队快速研究内容。
在之后他的团队的研究成果中，就有人们能够从研究内容中发现他们的光