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中國最接近諾貝爾物理學獎的一次發現
2015-11-06 09:14:31 1345人瀏覽
作者:管理員
新聞描述:轉自新華網

2013年3月14日,美國《科學》雜志在線發布了一則轟動科學界的新聞:由清華大學薛其坤院士領銜、清華大學物理系和中科院物理研究所組成的實驗團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。著名美籍華裔物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧甚至激情澎湃地宣稱:“此次成果是從中國的實驗室里,第一次發表出了諾貝爾獎級的物理學論文,不僅是科學界的喜事,也是整個國家的喜事。”實驗結果公布后,薛其坤曾應邀去日本作學術報告,日本科學家給他發來了郵件,稱贊“這是我在過去十年里聽到的最好的學術報告,我們真沒有想到你們最終發現了這一美妙現象”。另一位美國知名物理學家也向課題組發來郵件,“看到你們的結果,我真感覺有些嫉妒。但回過頭想起來,這個工作巨大的難度也確實讓我們嘆為觀止。”如果說,以上都是個人發表的評論,有些主觀,不夠說服力,可以看看美國《科學》雜志的匿名評審給出的評價,“這篇文章結束了對量子反常霍爾效應多年的探尋,這是一項里程碑式的工作。我祝賀文章作者們在拓撲絕緣體研究中作出的重大突破。”

到底這個量子反常霍爾效應有多么神奇,引得眾人圍觀并獲得如此稱贊,這還要從19世紀末說起。

1879年美國物理學家霍爾發現如果對通電的導體加上垂直于電流方向的磁場,電子的運動軌跡將產生偏轉,這個電磁現象被稱為“霍爾效應”。霍爾效應是針對電子級別的一種微觀粒子的物理現象,但值得注意的是,在當時,電子并沒有被科學家發現。①1980年德國科學家馮·克利青發現整數量子霍爾效應,獲得1985年諾貝爾物理學獎,1982年美國科學家崔琦和施特默發現分數量子霍爾效應,獲得1998年獲得諾貝爾物理學獎。綜上,就知道楊振寧為什么對量子反常霍爾效應的發現如此震驚和不吝贊譽了。

量子霍爾效應不僅僅是高大上的理論,它跟我們的生活息息相關,尤其是現如今,各種各樣五花八門的電器已經完全占據了我們的生活。手機、電腦、電視,無所不在。我們在使用這些電器的時候,機身會發熱,這是最平常不過的現象,臺式機的主機之所以做得那么大就是為了散熱,不僅如此,還要在里面專門加一個散熱的風扇。這不僅是能量損耗,更會影響電器的使用,使得電器運行速度變慢,耗能變多。這是因為常態下芯片中的電子運動沒有特定的軌道,相互碰撞從而發生能量損耗。量子霍爾效應則可以“馴服”這些電子。用薛其坤院士接受中央電視臺采訪時所說的話說就是:“這就好比一輛高級跑車,常態下是在擁擠的農貿市場上前進,而在量子霍爾效應下,則可以在‘各行其道、互不干擾’的高速路上前進。”

然而,量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場,相當于外加10個計算機大的磁鐵,或者說像一個大衣柜,這不但體積龐大,而且價格昂貴,根本不適合個人電腦和便攜式計算機。按照現在寸土寸金的房價,就算買得起這樣的機器,恐怕也沒有地方安放。但是科研工作者并沒有就此止步。就在美國科學家施特默因為發現分數量子霍爾效應的1988年,同樣屬于美國的物理學家霍爾丹提出可能存在不需要外磁場的量子霍爾效應,不需要任何外加磁場,在零磁場中就可以實現量子霍爾態,如果是這樣的話,那么便可應用到人們日常所需的電子器件中。

試想一下,如果利用量子反常霍爾效應發展出低能耗晶體管和電子學器件,這將克服電腦的發熱和能量耗散問題,從而有可能推動信息技術的進步,這將有可能加速推進信息技術革命進程,進而引發全球科技的大跳躍。現在,我們的手機頂多是幾個G的存儲量,應用量子反常霍爾效應,可以達到幾個T,同樣的,現在那些前移次超級計算機有可能縮小到筆記本大小。

但是多年來一直未能找到能實現這一特殊量子效應的材料體系和具體物理途徑。可以說,全世界許多頂尖的科學家都在這個領域探索,期望自己能成為發現量子反常霍爾效應的第一人,關于花落誰家的問題大家也非常關注。最終薛其坤院士拔得頭籌。這實在是振奮人心的事。我們常常說,什么是愛國,這就是最大的愛國。在戰爭年代捍衛祖國的尊嚴,在和平年代為祖國爭取榮譽。

為什么是薛其坤院士?這并不是像蘋果從樹上墜落砸中牛頓腦袋那么簡單的事情。現在科學每一小步進展,都包含了科研人員無數的汗水和腦細胞。

薛其坤團隊經過近4年的研究,生長測量了1000多個樣品。最終,他們利用分子束外延方法,生長出了高質量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜,并在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應。熬夜加班是家常便飯,突然有一天,正常下班大家才會覺得奇怪。在清華大學,薛其坤院士有一個乍聽起來怪異的外號“7—11”②——他早上7點就扎進實驗室,一直干到晚上11點。這樣的作息時間,薛其坤堅持了20年。毛主席說,做一件好事不難,難的是做一輩子好事。加一天班也不難,難的是加20年。然而,薛其坤院士做到了,中國做到了。

不管將來薛其坤院士是否能夠摘取諾貝爾物理學獎的桂冠,他都將成為我們的自豪和驕傲。



①電子是1897年由J.J.湯姆遜發現,并于1906年獲得諾貝爾物理學獎。

②7—11,便利店。最初7—11的經營理念是在非正常營業時間(晚7點至第二天上午11點)仍能夠提供零售服務,現在已經發展成24小時全天候營業。7—11已成為全天候營業便利店的指代。


對薛其坤團隊的發現高度評價的楊振寧教授


霍爾效應


量子反常霍爾效應


薛其坤和他的團隊



嚴以律己的薛其坤院士

 

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