超导研究是物理学科学发现的富矿

昨天，伴随着悠扬的《沂蒙山小调》，中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤，在复旦大学举行的第八期“浦江科学大师讲坛”上开讲。他介绍，过去113年里，诺贝尔物理学奖共有五次授予超导研究的物理学家，该领域不仅蕴藏丰富的科学发现，更能考验一个人的学术水平，“这是物理学科学发现的富矿”。

拿广播操作比喻

“超导体，首先必须是导体。导体电阻主要来源于原子振动对电子的散射。”薛其坤打了个形象的比喻：“温度低的时候，原子就不大运动，就像一帮人做广播体操，中间有个人想穿过去，这些人如果一直乱走，人很难走过去；但如果这些人都停下来，这个人就能找到空隙走过去。也就是说，温度越低，原子振动越弱，电阻就容易通过，所以超导一般会发生在低温。”

温度超过40K（-233℃）的超导为高温超导。因此，在超导研究领域，提高超导体材料的临界温度（Tc）是关键。而霍尔效应的发现，打开了人类认识微观世界的又一扇大门。霍尔效应指当电流沿纵向通过导体或半导体薄片时，如果薄片置于垂直方向的磁场中，就会在其两侧产生一个横向电压，即霍尔电压。而量子霍尔效应，则是霍尔效应的一种量子化版本，它是在强磁场下出现的一种特殊状态，其中霍尔电阻呈现出量子化的阶梯状特征。

早在1880年，霍尔就在研究磁性金属的霍尔效应时发现了一个有趣的现象：即使不加外磁场，也可以观测到霍尔电阻，这种在零磁场中的霍尔效应被称为反常霍尔效应。这一发现引发了另一个问题：既然存在量子霍尔效应，那么是否也存在一个量子化的反常霍尔效应版本呢？

量子反常霍尔效应正是这样一种现象，它不需要外加磁场即可观察到量子化的霍尔电阻。在量子反常霍尔状态下，材料表面的电子遵循着特定的轨迹运动，形成所谓的边缘态，这些边缘态允许电子沿着特定的方向无散射地流动，从而大大降低了能量损耗。如此重要的物理学推断，被薛其坤团队证实了，这属于基础研究“从0到1”的发现。

攻克“三不像”矛盾体

为验证这一理论物理预言，2008年起，薛其坤带领研究团队展开艰辛的探索。量子反常霍尔效应的实现条件很苛刻，需要一种具备拓扑特性、长程铁磁序、体内绝缘态三大条件的超薄膜材料。“这是‘三不像’的矛盾体，因为大部分铁磁材料都是导电的，二维情形下很难实现铁磁性，况且磁性和拓扑很难做到共存。这就相当于，你要制备出像‘三项全能运动员’的材料。”薛其坤说。

基于这些要求，薛其坤团队与王亚愚团队、吕力团队合作，筛选一系列磁性拓扑绝缘体。磁性拓扑绝缘体很独特，它们在内部是绝缘的，但在表面或边缘展现出导电性，且这种导电性不受杂质或缺陷的影响，正契合产生量子反常霍尔效应的要求。2012年，薛其坤团队终于在一种材料上观测到完美的量子化平台。2013年，这一成果发表在《科学》杂志上，诺贝尔物理学奖得主杨振宁评价这一成果为“第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级物理学论文”。

科学研究像登山

量子反常霍尔效应的发现为薛其坤带来了诸多赞誉，但他的工作目标并不止步于此，他在该领域还有其他研究方向。其中，液氮温区的超导电性问题是薛其坤团队重点攻关的目标，“上世纪80年代开始，液氮温区超导问题就进入学界的视野，但其原理是什么，现在还没有很好的解释，我们希望能在这一领域作出突破。”

“孔子登东山而小鲁，登泰山而小天下。”薛其坤以登山为喻，阐释心中的科研精神，“自然界的表现形式千奇百怪，做科学就像登山，只有勇于挑战高峰，才能认识自然、改造自然。我们应该满怀豪情，登上科技之峰。”

本报记者 张炯强