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揭秘量子反常霍爾效應(yīng)：電子運動的交通規(guī)則 這項研究成果是世界物理學界近20年來最重要的實驗發(fā)現(xiàn)之一，成果將推動新一代低能耗晶體管和電子學器件的發(fā)展，可能加速推進信息技術(shù)革命的進程。 量子反�；魻柆F(xiàn)象因何能成為物理學研究皇冠上的明珠？它的發(fā)現(xiàn)究竟具有怎樣的科學、社會、經(jīng)濟意義？請聽項目負責人、中國科學院院士、清華大學副校長薛其坤怎么說。  矛盾的研究 要實現(xiàn)反�；魻栃�(yīng)量子化，所需要的實驗材料必須同時滿足3個幾乎相互矛盾的嚴苛條件，這幾乎是不可能完成的任務(wù) 如何讓量子霍爾效應(yīng)出現(xiàn)反常？這是過去30多年里，凝聚態(tài)物理和材料物理領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)的實驗之一。因為，要實現(xiàn)這一目標，所需要的實驗材料必須同時滿足3個嚴苛條件。 簡單來說，就是要讓導體同時實現(xiàn)“磁性的”“拓撲的”“絕緣的”。而這3個條件之間常常是相互矛盾的，如果有磁性，做到絕緣不容易；相反如果絕緣，磁性很可能就消失了�！斑@就好比一個運動員，既要有速度又要有力量還要有技巧，這幾乎是不可能完成的任務(wù)�！鼻迦A大學物理系主任王亞愚說。 幸運的是，2006年，一種新型材料——拓撲絕緣體的出現(xiàn)，讓全球物理學家們看到了希望。 “拓撲絕緣體是一種新型量子材料，它的內(nèi)部是絕緣的，但在它的邊界或表面總存在導電的邊緣態(tài)。”王亞愚解釋說。 這種神奇材料的構(gòu)想最初是張首晟與美國另外兩位科學家共同提出的。后來，張首晟通過與中國科學院物理所和清華大學的合作，把拓撲絕緣體研究帶到了中國。 2009年，張首晟團隊提出了將Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3摻入3d磁性元素，實現(xiàn)磁性拓撲絕緣體的方案，并做了具體的解析計算。隨后，張首晟又與方忠、戴希開展合作，認證了該系統(tǒng)乃是磁性拓撲絕緣體，是實現(xiàn)量子反�；魻栃�(yīng)的理想材料。 這一系列的理論工作，引起了國內(nèi)外實驗物理學家的廣泛關(guān)注。從此，一場轟轟烈烈的國際競賽開始了。 但是，要想真正在實驗室制作出理想的拓撲絕緣體材料，是一個世界級的科學難題。薛其坤解釋說，實驗要求做出高純度的單晶材料，100萬個原子中最多只允許出現(xiàn)一個雜質(zhì)。而且，實驗要求做出極其平整的拓撲絕緣體，材料只能是5納米（1納米等于百萬分之一毫米）厚，表面凹凸1納米都不行。 當時，國際上已有多支頂尖團隊開展相關(guān)研究，而薛其坤團隊在人員、資金、經(jīng)驗方面都不占優(yōu)勢。在此情況下，薛其坤作為團隊負責人展現(xiàn)出一名科學家應(yīng)有的沉著冷靜——他對團隊成員進行了合理分工：自己帶隊去研究制作高質(zhì)量的拓撲絕緣體薄膜，王亞愚則負責反�；魻栃�(yīng)的測量。 在拓撲絕緣體研究初期，薛其坤敏銳地意識到，拓撲絕緣體材料的生長動力學與自己長期從事的砷化鎵研究具有非常類似的地方。材料的生長動力學是描述如何從一個個原子的反應(yīng)最后形成一個宏觀晶體材料的過程。因此，只有掌握了材料的生長動力學，才能精確控制材料的生長，進而精確控制材料的質(zhì)量。 在團隊成員共同努力下，僅用了三四個月，他們就在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的分子束外延生長動力學，實現(xiàn)了對樣品生長過程原子水平上的精確控制。這也幫助成功研制磁性拓撲絕緣體薄膜邁出了重要堅實的一步。 完美的成果 在1881年發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)100多年后，中國科學家終于實現(xiàn)了其量子化——而且實驗結(jié)果干凈漂亮，數(shù)據(jù)完美得幾乎不可思議 生長、測量、反饋、調(diào)整……從2009年開始，團隊圍繞磁性拓撲絕緣體材料的研制，開啟了不厭其煩地重復。 團隊成員馬旭村回憶，實驗組總共做了超過1000次磁性摻雜的樣品測量。而在生長階段就失敗而沒拿去測量的樣品，根本沒人統(tǒng)計過�！绊樌麜r，一周能做出5塊樣品；不順利時，一個月也做不出來一塊。” 歷經(jīng)不斷探索和磨合，團隊最終找到了一條合理的技術(shù)路線�！斑@在很大程度上得益于樣品生長和輸運測量研究組的緊密合作。團隊成員幾乎每天都通過郵件和電話交流實驗結(jié)果，每2至3周會開展一次充分討論，分析實驗的所有細節(jié)，并制訂下一步詳盡計劃。”團隊成員何珂說。 功夫不負有心人。2010年，團隊完成了對1納米到6納米厚度薄膜的生長和輸運測量，得到了系統(tǒng)的結(jié)果，從而使得準二維拓撲絕緣體的制備和輸運測量成為可能。2011年，團隊實現(xiàn)了對拓撲絕緣體能帶結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，使其成為真正的絕緣體，去除了體內(nèi)電子對輸運性質(zhì)的影響。2011年底，團隊在準二維、體絕緣的拓撲絕緣體中實現(xiàn)了自發(fā)長程鐵磁性，并利用外加柵極電壓對其電子結(jié)構(gòu)進行了精密調(diào)控——至此，量子反�；魻栃�(yīng)所需要的3個實驗材料苛刻條件終于全部實現(xiàn)！ 從拓撲絕緣體材料生長初期的成功，再到后期克服實驗中的重重難關(guān)，薛其坤團隊付出了常人難以想象的努力。但實驗最終的成功與否，還要看一個標志性實驗數(shù)據(jù)——在零磁場中，能否讓磁性拓撲絕緣體材料的霍爾電阻跳變到25813歐姆的量子電阻值。 奇跡出現(xiàn)在2012年10月的一個晚上。薛其坤收到學生的短信：他們在實驗中發(fā)現(xiàn)了量子反�；魻栃�(yīng)的跡象！ |
