清華大學(xué)和中科院物理研究所近期在京宣布：由清華大學(xué)薛其坤院士領(lǐng)銜，清華大學(xué)物理系和中科院物理研究所聯(lián)合組成的實驗團隊最近在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，首次觀測到量子反常霍爾效應(yīng)。

“這一成果預(yù)示著一個新時代的來臨！對于基礎(chǔ)物理學(xué)來說，觀察到量子反常霍爾效應(yīng)讓研究新的量子系統(tǒng)成為可能。”英國牛津大學(xué)物理系講師索斯藤·赫斯耶達爾所評價的是“中國科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)”。

解決電腦發(fā)熱問題有了希望

說到量子反常霍爾效應(yīng)，得先從量子霍爾效應(yīng)說起。薛其坤舉例說，電子在芯片里的運動基本上可以類比為高級跑車在集市中運動，它們在非常雜亂無章的環(huán)境下到處碰撞、改變方向，既走了彎路，又會造成發(fā)熱，效率降低，這也是目前晶體管發(fā)熱、電腦用久了發(fā)燙的重要原因之一。

“量子霍爾效應(yīng)則可以對電子運動制定一個規(guī)則，讓它們在各自跑道上前進，就好比一輛高級跑車，在量子霍爾效應(yīng)下在高速路上前進。”薛其坤用一個形象的比喻進行解釋。

然而，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強的磁場，不但價格昂貴，而且體積龐大，不適合個人電腦和便攜式計算機。

“量子反常霍爾效應(yīng)不需要外加磁場，因此在應(yīng)用方面比此前發(fā)現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)要方便得多，可以推動新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，解決電腦發(fā)熱等問題。”薛其坤說。

“諾貝爾獎級”的科研成果

1980年德國科學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，1982年美國科學(xué)家崔琦和施特默發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應(yīng)，這兩項成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

物理學(xué)家認為，量子霍爾效應(yīng)家族中也應(yīng)該存在量子反常霍爾效應(yīng)。但如何使其現(xiàn)身并在實驗上觀測到成為近些年物理學(xué)家探索的重要難題之一。

“此次成果是從中國的實驗室里，第一次發(fā)表出了諾貝爾獎級的物理學(xué)論文，不僅是科學(xué)界的喜事，也是整個國家的喜事。”物理學(xué)家楊振寧在該成果的發(fā)布會上如是評價。

在團隊成員教授張首晟看來，“量子反常霍爾效應(yīng)或?qū)硇畔⒓夹g(shù)的革命，我國科學(xué)家為國家爭奪了這場革命中的戰(zhàn)略制高點”。

為什么是中國科學(xué)家？

贏得如此高的贊譽，并不容易。

要在實驗上實現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)的量子化需要拓撲絕緣體材料同時滿足3項非常苛刻的條件，這對實驗物理學(xué)家來講是一個巨大的挑戰(zhàn)。“這就如同要求一個人同時具有短跑運動員的速度、籃球運動員的高度和體操運動員的靈巧，其難度可想而知。”薛其坤說。

德國、日本、美國的科學(xué)家由于無法在材料中同時滿足這3點而未取得最后的成功。

“為什么會是中國科學(xué)家先取得成功？”楊振寧在發(fā)布會上拋出了這樣的問題。在他看來，“這與中國文化有關(guān)系。比如中國傳統(tǒng)文化中的團隊精神和勤奮等”。

說到勤奮，清華大學(xué)教授、中科院院士朱邦芬講了一個小例子：“我有一次和薛其坤出差，飛機到北京已經(jīng)快晚上12點了，他還要到實驗室去看學(xué)生在做什么，有沒有新發(fā)現(xiàn)。”

“該成果的獲得是中國科學(xué)家長期積累、協(xié)同創(chuàng)新、集體攻關(guān)的一個成功典范。”在清華大學(xué)提供給記者的材料中的這個表述，也許可以回答楊振寧的提問。