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意识量子卓殊霍尔效应是中华夏族民共和国对人

2019-07-19 04:53

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发现量子反常霍尔效应 为人类科学知识宝库贡献璀璨明珠

来源:新华网 2019-1-8 凌纪伟


在1月8日召开的国家科学技术奖励大会上,中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤领衔,由清华大学和中科院物理所实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”摘得2018年度国家自然科学奖一等奖。

量子反常霍尔效应的首次实验发现,是世界物理学界近几年最重要的实验进展之一。诺贝尔奖获得者杨振宁评价其为“第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文”。

巨大的实验挑战成就非凡的意义

量子霍尔效应是现代物理学的重要研究领域,与其相关的研究发现曾四次摘得诺贝尔奖。与宏观世界不同,微观世界的运行由量子力学规律支配。能够在宏观尺度显示量子力学效应的量子材料让科学家们梦寐以求。然而,从真实材料中发现量子反常霍尔效应,在实验上一直没有取得任何进展。

薛其坤说,要观察到量子反常霍尔效应,需要材料的性质同时满足三个苛刻条件:绝缘的、拓扑的、磁性的。但在实际材料中,实现以上任何一点都具有相当大难度,更别说同时满足三点。“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、体操运动员的灵巧一样。”用薛其坤的话说,这是一个“自相矛盾”的要求。

幸运的是,2008年,薛其坤团队抓住拓扑绝缘体这个新领域的契机,在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的生长动力学机制,并利用扫描隧道显微镜揭示出拓扑绝缘体表面态的拓扑保护性和朗道量子化独特性质。

2009年,薛其坤领导的实验团队对量子反常霍尔效应的实验进行攻关。2012年底,团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后,终于实现了反常霍尔效应的量子化。为了实现这一基础科学领域的重大突破,薛其坤和他的团队花了整整4年时间。

什么是量子反常霍尔效应?薛其坤形象地说,该发现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。

这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,解决电脑发热、能量耗损等问题。对普通大众来说,最直接的影响就是有可能摆脱手机或电脑发热、耗电快、运行慢等困扰。

团队合作只为攻克一个不确定目标

重大实验发现是对人类智慧的一个巨大挑战,这对研究团队的科研素养和积累,以及实验技术水平的要求都非常高。

每每听到有人称赞量子反常霍尔效应的发现是多么了不起,薛其坤都会回一句,“这是我们团队精诚合作,联合攻关的共同成果,是中国科学家的集体荣誉”。在他看来,“团队协作、攻坚克难”的创新模式是拔得头筹的重要因素。

薛其坤称自己的团队是“世界上最有战斗力的团队”,因为这些科学家在各自领域都是一流的“专业选手”。如今大家为了一个共同的不确定的目标,从单兵作战走到了一起。

“瞄准同一重大科学目标,不同擅长但相对独立的单元科研团队的成员间形成了高效合作,其深度和持久性在国内外也不多见。”薛其坤自豪地说。

自2009年起,在薛其坤带领下,这支团队在近4年的时间里,生长和测量了超过1000个样品。现在,这个诞生于中国本土的优秀科研团队仍然在为量子反常霍尔效应的应用前景奋斗着。

薛其坤表示,任何一个现象从原理性的发现走到应用,都需要不同领域科学家和工业界的共同努力,他和团队愿意与更多人合作,努力将这个领域发扬光大,不断推动它向应用方向发展。

做基础研究离不开强大的国家支持

谈到从事这个项目最大的挑战,薛其坤认为并非来自技术层面,而是目标的不确定性。“我们也不知道沿着这条路走下去到底对不对。”

展开实验的4年里,团队成员通过一次次的生长、测量、反馈、调整,争取每一步都做到极致。背后支撑实验一步一个脚印走下去的是精密的试验系统,这是实验水平和科研能力的集中彰显。

薛其坤团队的实验室位于清华大学一栋普通实验楼内,踏入实验室,映入眼帘的是密密麻麻摆放着的科研仪器,其中有五套精密实验系统在世界范围内绝无仅有,这些仪器成就了实验技术的最好水平。

为保障薛其坤团队的研究开展,清华大学通过各种途径创造最优工作环境。“这在很大程度上得益于最近20年中国对基础研究的重视和大力投入。”薛其坤说。

量子反常霍尔效应的发现,堪称我国在基础研究上的一个重大成果。薛其坤认为,日益强大的国力、良好完善的科技政策、科学系统的科技规划、催人奋进的创新氛围是基础和保障。

建立新的科学理论、发现新的科学效应和科学规律是基础研究皇冠上的明珠。摘取这颗明珠,一直是薛其坤团队科研道路上的动力与使命。量子反常霍尔效应的发现,就是薛其坤团队为人类科学知识宝库贡献的一颗璀璨明珠。

“为人类发展和科学进步做贡献,同样是一个国家强大的标志。”薛其坤说,“科学技术应用无国界,中国科学家应该为人类命运共同体的建造,为世界科学的进步贡献自己的力量。”

编辑:李华山

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图为薛其坤院士在实验室

中新网北京1月8日电 中国2018年度国家科技奖励大会8日在北京举行,中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤教授领导的清华大学、中科院物理研究所实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”项目,获得本年度国家自然科学奖项中唯一的一等奖。

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新葡萄京官网 5薛其坤院士在实验室向媒体介绍“量子反常霍尔效应的实验发现”项目。孙自法/摄

图为薛其坤院士在实验室

“建立新的科学理论、发现新的科学效应和科学规律是基础研究‘皇冠上的明珠’。”薛其坤院士接受采访时表示,量子反常霍尔效应是一个基于全新物理原理的科学效应,是新中国成立以来中国独立观测到的不多的科学效应之一,是中国物理学工作者对人类科学知识宝库的一个重要贡献。

在1月8日召开的国家科学技术奖励大会上,中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤领衔,由清华大学和中科院物理所实验团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”摘得2018年度国家自然科学奖一等奖。

他认为,量子反常霍尔效应的发现是改革开放40年间中国在基础研究上的一个重大成果,也标志着中国拓扑量子物理的实验研究居世界领先地位。

量子反常霍尔效应的首次实验发现,是世界物理学界近几年最重要的实验进展之一。诺贝尔奖获得者杨振宁评价其为“第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文”。

新葡萄京官网 6薛其坤院士在实验室向媒体介绍“量子反常霍尔效应的实验发现”项目。孙自法/摄

巨大的实验挑战成就非凡的意义

据了解,通过实验在真实材料中发现量子反常霍尔效应,长期以来一直是物理学家追求的目标。自1988年开始就不断有理论物理学家提出各种方案,然而之前在实验上没有取得任何重要进展。因为反常霍尔效应的量子化需要材料的性质同时满足三项非常苛刻的条件:

量子霍尔效应是现代物理学的重要研究领域,与其相关的研究发现曾四次摘得诺贝尔奖。

一是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,即一维导电通道;二是材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应;三是材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献,只有一维边缘态参与导电。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度,而要同时满足这三点对实验物理学家来讲更是一个巨大的挑战。

与宏观世界不同,微观世界的运行由量子力学规律支配。能够在宏观尺度显示量子力学效应的量子材料让科学家们梦寐以求。然而,从真实材料中发现量子反常霍尔效应,在实验上一直没有取得任何进展。

薛其坤研究团队长期以来结合分子束外延生长、极低温强磁场扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱技术,在表面、界面、低维物理学领域做出了国际一流的工作。2008年,薛其坤研究团队抓住拓扑绝缘体这个新领域兴起的契机,在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的生长动力学机制,利用分子束外延生长出国际最高质量的样品。

薛其坤说,要观察到量子反常霍尔效应,需要材料的性质同时满足三个苛刻条件:绝缘的、拓扑的、磁性的。但在实际材料中,实现以上任何一点都具有相当大难度,更别说同时满足三点。“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、体操运动员的灵巧一样。”用薛其坤的话说,这是一个“自相矛盾”的要求。

新葡萄京官网 7薛其坤院士在实验室向媒体介绍“量子反常霍尔效应的实验发现”项目。孙自法/摄

幸运的是,2008年,薛其坤团队抓住拓扑绝缘体这个新领域的契机,在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的生长动力学机制,并利用扫描隧道显微镜揭示出拓扑绝缘体表面态的拓扑保护性和朗道量子化独特性质。

从2009年起,薛其坤领导的实验研究团队与清华大学、中科院物理所、斯坦福大学的研究者合作,对量子反常霍尔效应的实验实现进行攻关。历时4年努力,薛其坤团队实验了逾千个样品,终于找到一种叫做磁生拓朴绝缘体薄膜的特殊材料,并从实验中观测到“量子反常霍尔效应”。

2009年,薛其坤领导的实验团队对量子反常霍尔效应的实验进行攻关。2012年底,团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后,终于实现了反常霍尔效应的量子化。为了实现这一基础科学领域的重大突破,薛其坤和他的团队花了整整4年时间。

“量子反常霍尔效应”是整个凝聚态物理中重要基本的效应之一,中国科学家在世界上率先找到了实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径,这一重大发现引发国际学术界高度关注,其研究成果论文很快被《科学》杂志接受发表,三名匿名审稿人一致给予高度评价。著名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁直言,这是第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文。

什么是量子反常霍尔效应?薛其坤形象地说,该发现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。

“量子反常霍尔效应”这项重大发现不仅是科学上的重要突破,研究成果应用方面也具有意义深远的影响,它将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术革命的进程。中国科学家这次为何能摘得这一基础研究“皇冠上的明珠”?

这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,解决电脑发热、能量耗损等问题。对普通大众来说,最直接的影响就是有可能摆脱手机或电脑发热、耗电快、运行慢等困扰。

新葡萄京官网,薛其坤强调,瞄准同一重大科学目标,不同擅长但相对独立的单元科研团队的成员间形成了高效合作,其深度和持久性在中外也不多见。这种“团队协作、攻坚克难”的创新模式是拔得头筹的重要因素。

团队合作只为攻克一个不确定目标

新葡萄京官网 8薛其坤院士研究团队年轻科研人员在清华大学的实验室内开展研究工作。孙自法/摄

重大实验发现是对人类智慧的一个巨大挑战,这对研究团队的科研素养和积累,以及实验技术水平的要求都非常高。

同时,工欲善其事,必先利其器。“量子反常霍尔效应”研究团队在清华大学的实验室得到国家强力支持,拥有的五套精密实验系统基本上都是当前世界的最高水平,科研仪器不但能在材料的原子尺度上控制材料的生长,还可以在原子尺度上表征它的性能,从而把材料的量子特性以及物理、化学特性在控制方面达到一个前所未有的水平。

每每听到有人称赞量子反常霍尔效应的发现是多么了不起,薛其坤都会回一句,“这是我们团队精诚合作,联合攻关的共同成果,是中国科学家的集体荣誉”。在他看来,“团队协作、攻坚克难”的创新模式是拔得头筹的重要因素。

薛其坤指出,严谨高效的团队合作、过硬的实验技术,也使得中国科学家率先发现的量子反常霍尔效应经受住了历史的考验,成果论文发表后,实验结果已先后得到东京大学、麻省理工学院、斯坦福大学、普林斯顿大学等科学界同行的反复严格验证。

薛其坤称自己的团队是“世界上最有战斗力的团队”,因为这些科学家在各自领域都是一流的“专业选手”。如今大家为了一个共同的不确定的目标,从单兵作战走到了一起。

他表示,“量子反常霍尔效应”研究团队要以获得国家自然科学奖一等奖为契机,继续努力探索,争取做出更多新的科学发现,推动成果应用的发展,增强中国人的科学自信、文化自信,为中华民族真正走向世界科学的中央和站稳中央、坚守中央作出贡献。

“瞄准同一重大科学目标,不同擅长但相对独立的单元科研团队的成员间形成了高效合作,其深度和持久性在国内外也不多见。”薛其坤自豪地说。

自2009年起,在薛其坤带领下,这支团队在近4年的时间里,生长和测量了超过1000个样品。现在,这个诞生于中国本土的优秀科研团队仍然在为量子反常霍尔效应的应用前景奋斗着。

薛其坤表示,任何一个现象从原理性的发现走到应用,都需要不同领域科学家和工业界的共同努力,他和团队愿意与更多人合作,努力将这个领域发扬光大,不断推动它向应用方向发展。

做基础研究离不开强大的国家支持

谈到从事这个项目最大的挑战,薛其坤认为并非来自技术层面,而是目标的不确定性。“我们也不知道沿着这条路走下去到底对不对。”

展开实验的4年里,团队成员通过一次次的生长、测量、反馈、调整,争取每一步都做到极致。背后支撑实验一步一个脚印走下去的是精密的试验系统,这是实验水平和科研能力的集中彰显。

薛其坤团队的实验室位于清华大学一栋普通实验楼内,踏入实验室,映入眼帘的是密密麻麻摆放着的科研仪器,其中有五套精密实验系统在世界范围内绝无仅有,这些仪器成就了实验技术的最好水平。

为保障薛其坤团队的研究开展,清华大学通过各种途径创造最优工作环境。“这在很大程度上得益于最近20年中国对基础研究的重视和大力投入。”薛其坤说。

量子反常霍尔效应的发现,堪称我国在基础研究上的一个重大成果。薛其坤认为,日益强大的国力、良好完善的科技政策、科学系统的科技规划、催人奋进的创新氛围是基础和保障。

建立新的科学理论、发现新的科学效应和科学规律是基础研究皇冠上的明珠。摘取这颗明珠,一直是薛其坤团队科研道路上的动力与使命。量子反常霍尔效应的发现,就是薛其坤团队为人类科学知识宝库贡献的一颗璀璨明珠。

“为人类发展和科学进步做贡献,同样是一个国家强大的标志。”薛其坤说,“科学技术应用无国界,中国科学家应该为人类命运共同体的建造,为世界科学的进步贡献自己的力量。”

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