2021年01月24日 星期日
小小量子里的大乾坤
第16版:量子力学就在身边 2021-01-11

小小量子里的大乾坤

中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤访谈 陈冰

薛其坤带领的团队在国际上首次实验发现了量子反常霍尔效应。

2019 年12 月23 日,中科院院士薛其坤携清华大学量子反常霍尔效应研究团队,将自主研发的8 件关键性科学仪器实物捐赠给国家博物馆。这是量子反常霍尔效应测量用的低温样品架和样品。

薛其坤院士在实验室。

量子反常霍尔效应解决了不用外磁场就能解决电子碰撞发热的问题。采用这种效应设计集成电路和元器件, 有望克服目前计算机发热耗能等带来的一系列问题!

记者|陈 冰2020年,对于中国科学院院士、南方科技大学校长、北京量子信息科学研究院院长薛其坤而言,非常特别。

年初,他获得了2020 年度菲列兹·伦敦奖。菲列兹·伦敦奖是国际公认的低温物理领域最高奖,薛其坤也是国内首个、亚洲第二个获得此项荣誉的科学家。

9 月,北京市人民政府授予薛其坤北京市科学技术奖最高奖——突出贡献中关村奖。

年末,薛其坤与英国的迈克尔·贝里、美国的查尔斯·凯恩一同获得了第五届“复旦-中植科学奖”,获奖当日,他履新南方科技大学校长不到一个月。

此前,与量子霍尔效应相关的数项研究斩获了诺贝尔奖——整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、石墨烯半整数量子霍尔效应……但是,在量子霍尔效应家族里,最后一个神秘成员“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应,迟迟没有被人发现。

薛其坤之所以能斩获这些大奖,是因为他带领的团队在国际上首次实验发现了量子反常霍尔效应。

什么是量子反常霍尔效应?它的发现有什么重大意义?薛其坤院士接受《新民周刊》独家专访,娓娓道来。

电子运动的“交通规则”

在认识量子反常霍尔效应之前,让我们先来了解一下量子霍尔效应。

量子霍尔效应,于1980 年被德国科学家冯·克里青发现,是整个凝聚态物理领域中重要、最基本的量子效应之一。举个简单的例子:我们使用计算机的时候,会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则,让它们在各自的跑道上“一往无前” 地前进。

然而,量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场,“能产生这个强磁场的设备比人还高,不但体积庞大,而且价格昂贵,不适合个人电脑和便携式计算机。” 薛其坤说,量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场,在零磁场中就可以实现量子霍尔态,人类有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件,从而解决电脑和很多电子器件发热问题的瓶颈问题。

自1988 年开始,就不断有理论物理学家提出各种方案,然而在实验上没有取得任何进展。

实验中做到量子反常霍尔效应的测量为什么难度极大?薛其坤打了个比方:“把材料在5 纳米的严格厚度上均匀到1毫米,才能实现对其的测量,这就相当于做一张学校操场那么大的A4 纸。”

2005 年左右,包括中国华人物理学家张首晟教授在内的科学家,在理论上预言了一种叫做拓扑绝缘体的新的材料(内部绝缘、表面导电的材料),在其中引入磁性就可以实现量子反常霍尔效应,擅长于材料科学研究和实验物理的薛其坤敏锐地捕捉到这一信息,带领团队寻找制作拓扑绝缘体——制备出一种像石墨烯那样,一层一层平整的纳米材料。

在研究了国际同行的常规技术路线后,他们主动放弃,另辟蹊径,在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学,在原子水平上实现了对拓扑绝缘体薄膜样品生长过程的精确控制,薄膜只有几个纳米厚,肉眼几乎看不到这种材料的存在。制作这种拓扑绝缘体薄膜,需要将几种元素用一种叫“分子束外延”的方法一层一层生长起来。几种原子如何配比,结构如何搭建,都十分复杂精妙。

整整4 年时间里,薛其坤的研究团队生长和测量了超过1000个样品,每一个样品的实验一般需要3-4天。一次次的生长、测量,一次次的挫折、调整,再生长、再测量……把实验的每一步、每一个细节都力争做到极致,把实验技术发挥到极限。他们几个月甚至更长时间才能克服一个困难,向目标推进一小步。

薛其坤的很多学生曾经较劲:“想趁着自己年轻,和薛老师比一比,看谁先到实验室,谁最后一个离开”,但多年来几乎没人能赢。这是一种近乎苦行的“修炼”,但薛其坤却体会到的是快乐而非痛苦。

功夫不负有心人,就是在经历了这种顽强坚持和追求极致的过程,最终找到最佳的元素搭配与结构。2012 年10 月12 日晚,薛其坤团队在制备的磁性拓扑绝缘体样品测试中首次发现了量子反常霍尔效应的迹象,经过两个月的奋战,获得了完整的实验数据证明了量子霍尔效应的存在。2013年3月15日该工作发表于《科学》,引起了国际轰动。这是量子霍尔效应家族里最后一个有待发现的重要成员,也是近年来国际物理学界由中国科学家以无与伦比的精巧实验和近乎完美的实验数据完成的重大科学成果。

用薛其坤的话来说,量子反常霍尔效应的实验操作挑战很大。从材料的角度来看,需要制备出有磁性的、拓扑的、绝缘的超薄膜。“对于一个二维体系,一般的研究生就可以知道,这三种性质往往是互相矛盾的。比如磁性和绝缘往往是矛盾的,我们熟知的磁性材料铁、钴、镍是非常好的导体,一点都不绝缘;绝缘体如我们熟知的陶瓷、玻璃等又没有磁性。如果需要把绝缘体变得有磁性,只能在玻璃的制造过程中加入很多的铁、钴、镍,加少了仍然是绝缘的,没有磁性,加多了变得有磁性后,它们也往往变得导电了。

“拓扑和磁性也是矛盾的,铁是一个轻元素,然而要有拓扑性需要用重元素,掺杂了铁、钴、镍,有磁性了以后,拓扑的效应,也就是自旋轨道耦合就会变弱。所以需要制备一种三不像的材料,就好像要求一个运动员既像姚明那么高能打篮球,还要像刘翔那样跑得快,还要像溜冰运动员一样伶俐。四项全能运动员很好找,但他们每一项都不是最高水平。而我们要找的是每一个特点都要和最好的材料可比拟的三不像材料。”

薛其坤说,团队的科学目标非常清楚:实现没有磁场的量子霍尔效应,也就是在没有磁场的情况下测到霍尔电阻值等于h/e2,即25812.807419 欧姆的电阻。“在2010 年到2011 年间,我们制备出了磁性拓扑绝缘体薄膜,但测到的霍尔电阻几乎是零,导电性非常好;在不断的努力和坚持下,发现一个问题解决一个问题,霍尔电阻跳到几百欧姆;又是半年多的坚持,重复实验,改进条件等等;又发现了一个问题,然后电阻又增加了一点,又实现了一点点进步,终于在2012 年的12 月份看到了没有磁场的情况下霍尔电阻达到了25812 欧姆左右,意味着量子反常霍尔的实验发现。”

从1879 年美国物理学家霍尔提出霍尔效应,到1988 年邓肯·霍尔丹预言量子反常霍尔效应,再到薛其坤在实验上发现这一现象,数代物理学家前后共耗费了100 多年的时间。“科学就是在一点一滴的进步中实现超越”。

“量子反常霍尔效应” 是中国科学家发现且能写进物理教科书的工作。在过去相当长的一段时间里,被收入教科书的基础科学领域的突破往往源自其他国家科学家的新发现。所以,诺贝尔奖获得者物理学家杨振宁评价薛其坤的成果:“这让我想起很多年前接到物理学家吴健雄的电话,第一次告诉我在实验室做出了宇称不守恒的实验,这个发现震惊了世界。今天薛其坤及其团队做出的实验成果,是物理学领域最近几年一个重大的成果,这不仅是科学界的喜事,也是整个国家的喜事。”

实验利器:针尖

在接受《新民周刊》采访时,薛其坤特别提到自己的两位导师——中科院的陆华教授与日本东北大学的樱井利夫教授。

“1988 年开始,我在陆华门下做研究生,开始就一直在学习、发展实验技术。”

薛其坤指出,进入到微观世界不能缺少观察微观世界的眼睛。而扫描隧道显微镜,就是三种能实现原子分辨率的科学仪器之一。扫描隧道显微镜用的探针是非常尖锐的金属针尖,金属针尖是另一个实验技术——场离子显微镜的样品。

场离子显微镜是1951 年宾州大学物理系的教授埃尔文·穆勒(Erwin Mueller)发现的,在一个非常尖锐的金属针尖上面加一个非常高的电压,导致的强电场能把惰性气体离化,通过电场驱动投影到一个屏幕上,可以直接在实空间看到原子。“我在物理所学习场离子显微镜技术,最重要的是学会了怎么做针尖,制备了几千个针尖。随便给我一个金属丝,我能做出非常理想的针尖来,用它来做场离子显微镜实验。”

后来,薛其坤拜师樱井利夫教授门下。而樱井利夫恰好是埃尔文·穆勒的关门弟子。“我开始学习使用扫描隧道显微镜。扫描隧道显微镜实验需要自己制备针尖,我在当时的实验室别的方面水平不行,但是在制备针尖方面是水平最高的学生。有一个韩国的学生,花了一天没制备出来,我帮他20 分钟做出来以后,他还请我吃了一顿饭。”

薛其坤说,陆华导师教会了他怎么做针尖,樱井利夫教会了他用针尖作为探针怎么做好扫描隧道显微镜实验。在日本期间,他还掌握了分子束外延技术。利用分子束外延,人们可以把薄膜生长控制到单原子层水平。把这两个仪器结合在一起就是他在日本工作时学到的技术。2000 年回国以后,薛其坤想着能不能在分子束外延和扫描隧道显微镜的基础上再加一个技术,这样就可以在原子尺度上控制材料、观察材料,通过观察和生长以及它们之间的反馈,能够在原子尺度上控制材料的性质。

“材料的性质怎么表征?靠角分辨光电子能谱。我们在物理所实现了三种高精尖实验技术在超高真空下的联合。联合系统的操作是非常有挑战性的,因为你掌握一个实验技术是很难的,掌握两个更难,掌握三个而且一年到头让它一直顺利工作,这是非常有挑战性的。这个idea 很好,却给学生制造了每天学习生活的极大困难。”

“制备针尖只是一项小小的实验技术,但短时间内如能做出高质量的针尖,不仅意味着实验做得更快,数据也更好。” 薛其坤感慨,在科研的道路上,真可谓“不积跬步,无以至千里”。从本质上说,物理学是一项实验科学,大部分科学发现首先源自在实验上取得突破。这些突破往往是建立在点点滴滴努力之上。

在薛其坤看来,物理学科发展至今,要在理论层取得重大突破已比较困难,而实验层面的突破则越来越依赖于实验仪器设备的发展。

“就物理学而言,要继续探索自然的奥秘,必须利用高精尖的仪器设备,把这个世界‘看得更细、听得更远’,才可能有新发现。要知道,在牛顿年代,看到苹果落地就可以提出新的理论,而如今基本不可能出现。” 薛其坤认为,这也是为什么对现代科学发展来说,精密仪器设备等技术发展显得越来越重要的原因。

量子大乾坤

量子霍尔效应,对普通人来说,拗口而晦涩。但在物理学家眼中, 它神奇又美妙,是一座科学“富矿”,让一代又一代科学家为之着迷和献身。

量子反常霍尔效应解决了不用外磁场就能解决电子碰撞发热的问题。采用这种效应设计集成电路和元器件, 有望克服目前计算机发热耗能等带来的一系列问题!

薛其坤指出,量子力学已经建立了100 多年,是人类探究微观世界的重大成果,是关于微观物质世界运动规律的理论体系,与相对论一起构成现代物理学的理论基础。

量子力学的发展,触发了第一次量子技术革命。第一次量子技术革命,是从认识量子世界、发现量子效应到发展量子技术应用。信息时代的关键核心技术,如晶体管、激光、硬盘、GPS 等是第一代量子技术的成果。

目前我们已经进入第二次量子技术革命时代,是通过主动人工设计和操控量子系统来发展量子技术和应用。量子计算能颠覆性提高信息运算处理速度,量子通信会大幅度提升通信安全性,量子精密测量和传感技术会在未来数字时代和万物互联时代有着广泛的应用。量子科技发展具有重大科学意义和战略价值,是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新,将引领新一轮科技革命和产业变革方向。“除了科学家在量子科技领域开疆拓土之外,量子技术要真正给人类带来福祉,还需要更多创新创业者、企业家、投资人的加入。” 薛其坤说。

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