中国籍科学家薛其坤成为70年来首位获得凝聚态物理最高奖的人

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图源:南方科技大学

撰文 | 严胜男

责编|李姗姗

2023年10月24日,美国物理学会宣布南方科技大学校长、清华大学教授、中国科学院院士薛其坤获得巴克利奖,这是该奖自1953年授奖以来首次颁发给中国籍物理学家。

巴克利奖被公认为是国际凝聚态物理领域的最高奖,旨在表彰在凝聚态物理领域作出卓越贡献的科学家,过往获得该奖的华裔物理学家有崔琦、沈志勋、张首晟、文小刚。此次,薛其坤和美国哈佛大学教授Ashvin Vishwanath共同凭借“对具有拓扑能带结构的材料的集体电子性质的开创性理论和实验研究”获奖。

2012年底,薛其坤和团队在全世界首次成功在实验室中观测到了量子反常霍尔效应。该成果于2013年5月在美国《科学》(Science)杂志发表,被审稿人称之为“凝聚态物理界一项里程碑式的工作”。诺贝尔奖获得者杨振宁评价道:“这是从中国实验室里,第一次发表出了诺贝尔奖级的物理学论文!”。

量子霍尔效应是凝聚态物理中的一个重要量子效应,可以改变电子的运动轨迹,使其像在高速公路上行驶的汽车一样有序,减少了中间阻碍,降低热量消耗率,加快运行速度。整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的实验发现分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。由于传统量子霍尔效应需要强磁场、极低温、高载流子迁移率样品才能出现,因此很难真正得到应用。而量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场,该项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子元器件的发展,可能加速推进信息技术革命进程。

图源:南方科技大学

2008年起张首晟等理论物理学家提出了用磁性拓扑绝缘体实现量子反常霍尔效应的方案,许多实验物理学家纷纷大展身手,试图第一个制作出这种材料,但量子反常霍尔效应的发现没有预想得那么顺利。普林斯顿大学教授邓肯·霍尔丹(Duncan Haldane)曾预言类似石墨烯的蜂窝结构有时间反演对称破缺,可能观察到量子反常霍尔效应,但没能实现。

实现这一神奇的量子现象,材料必须同时满足三项非常苛刻的条件:材料的能带结构必须具有拓扑特性,从而具有导电的一维边缘态;材料必须具有长程铁磁序,从而存在反常霍尔效应;材料的体内必须为绝缘态,从而对导电没有任何贡献。薛其坤曾撰文解释称,这就如同要求一个人同时具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度和体操运动员的灵巧。

早在2002年初,薛其坤团队在拓扑绝缘材料生长动力学机制方向的开拓便奠定了今日的领先优势:一个融合分子束外延设备、扫描隧道显微镜和角分辨光电子能谱三种实验设备的联合系统。团队在三四个月的时间内便率先在国际上建立了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学,迈出了最为重要的一步。即便如此,在四年的时间里,他们生长和测量了超过1000个样品,质量上乘的拓扑绝缘体薄膜面对巍然不动的“三座大山”也需要反复调整、反馈,把每一步做到极致。

最终他们成功研制出非常复杂的(四组分的)三维磁有序含Cr的拓扑绝缘体(CrBiSbTe),并且观测到了非常清晰的量子反常霍尔效应。中国科学院理论物理研究所于渌院士在接受《国家科学评论》采访时说道,“当薛其坤的文章投稿到Science杂志的时候,审稿人并不相信,但当他们看到原始数据时就信服了”。

量子反常霍尔效应是一个基于全新物理原理的科学效应,是我国独立观测到的为数很少的科学效应之一,是我国物理学工作者对人类科学知识宝库的一个重要贡献。与此同时,在撰写的科普文章中,薛其坤还曾提到,“量子反常霍尔效应可能有助于在未来解决摩尔定律的瓶颈问题,若应用到电子器件中,有望克服包括计算机芯片等很多电子器件发热耗能等带来的一系列问题,推动半导体工业的革命。它的发现或将带来下一次信息技术革命……”

今年,正是凭借着在拓扑绝缘体研究和在拓扑绝缘体中发现量子反常霍尔效应的创新突破,薛其坤成为了巴克利奖授奖70年以来首位中国籍获奖者。

薛其坤曾把他的研究目标比做山顶甜美的樱桃,理论物理学家画出的樱桃,到底有没有谁也不知道,但一路上山的过程可能会看到新的风景,也可能在半山发现桃子。在高温超导的探索就是无意间摘到了半山的桃子,2012年他发现了单层铁硒与钛酸锶衬底结合而衍生出的界面高温超导,这一发现挑战了主流共识。

巴克利奖公布后,薛其坤在南科大接受记者采访时透露,当前他正在开展的研究计划有两个方向,其一是继续将拓扑绝缘体及量子反常霍尔效应研究推向一个新的高度。他希望推动量子反常霍尔效应的观察从极低温度向更高温度迈进,在液氮温区实现量子反常霍尔效应。

“基于量子反常霍尔效应和拓扑绝缘体的研究,我们会看到包括拓扑超导等一系列新奇的物理现象。基于此,我们能在室温的环境、室温的条件下,制造出新电子器件,从而将这一重大科学发现应用于实际。”

薛其坤透露,团队另一个研究方向是在高温超导机理领域的研究。希望通过对高温超导机理的研究,更新凝聚态物理基础理论,寻找新的高温超导材料。目前,他正带领清华大学和南科大团队,集合团队攻坚作战力量,持续深耕这一领域,期待做出重要突破。

图源:南方科技大学

近年来,薛其坤已获国家自然科学一等奖1项,获国家自然科学二等奖2项,获第三世界科学院物理奖、陈嘉庚科学奖、求是杰出科学家奖、何梁何利科学与技术成就奖、未来科学大奖-物质科学奖、(首届)全国创新争先奖章、菲列兹·伦敦纪念奖、北京市突出贡献中关村奖和复旦-中植科学奖等奖励与荣誉。

参考资料:

[1]佘惠敏,“科研的快乐让我停不下来”——记中国科学院院士薛其坤,https://www.most.gov.cn/ztzl/zmkjry/rwzf/xqk/201506/t20150602_119813.html,《经济日报》2015

[2]薛其坤,量子反常霍尔效应与材料物理学,https://www.tsinghua.org.cn/info/1955/16310.htm,《光明日报》,2019

[3]于渌,中国凝聚态物理的进展和未来,https://mp.weixin.qq.com/s/U_UFr55DBAOZDgKxDqJzBQ,《国家科学评论》,2016