3月18日，在规模宏大的美国物理学会年会上，清华大学薛其坤院士成了焦点人物——很多华人科学家和相熟的外国学者纷纷走到他面前向他表示祝贺。这些都源于今年3月15日《科学》（Science）杂志在线发表文章，宣布由薛其坤院士领衔的清华大学物理系和中科院物理所联合组成的实验团队，从实验上首次发现量子反常霍尔效应，这意味着量子霍尔效应物理领域一个期待已久的重要现象已经被中国科学家率先观测到。

　　在凝聚态物理中，量子霍尔效应占据着极其重要的地位。整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的实验发现分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。这次中国科学家首次在实验上观测到的量子反常霍尔效应，被认为可能是量子霍尔效应家族最后一个有待实验发现的成员。为了实现这一基础科学领域的重大突破，薛其坤院士和他的团队整整花了4年时间。

　　以科学家敏锐的眼光锁定至高目标

　　物理在人类的生活中无处不在，而重大的实验物理发现可以让人类认识和掌握自然界的规律，从而推动人类社会的进步。

　　2008年10月15日，薛其坤院士清楚地记得这个日子。在课题组例行的组会上，学生在做文献交流时介绍了拓扑绝缘体的概念以及相关研究成果。从此，“拓扑绝缘体”走进了薛其坤院士的视野。

　　拓扑绝缘体这个凝聚态物理中的新领域是由斯坦福大学的张首晟教授与来自美国和德国的另外两位科学家共同开创的。张首晟教授和薛其坤院士深厚的友谊和紧密的交流使他们意识到，这是一个非常值得在中国进行深入探究的领域。从那时起，他们就展开了对拓扑绝缘体中新奇量子效应的实验研究。在一年多的时间内，他们与清华大学物理系的陈曦和贾金锋教授，以及中科院物理所的马旭村研究员合作，在拓扑绝缘体的样品生长和原位电子态研究方面取得一系列举世瞩目的成果。此后，他们瞄准了更高更难的目标：在实验上实现量子反常霍尔效应，也就是零磁场中的量子霍尔效应。

　　量子反常霍尔效应是一个全新的量子效应，由于其存在不需要外加磁场，因此在应用方面比此前发现的量子霍尔效应要方便得多，可以推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展，解决电脑发热等问题。因此从理论研究和实验上实现量子反常霍尔效应，成为世界凝聚态物理学家关注的焦点。

　　为了在激烈的国际竞争中脱颖而出，薛其坤院士对团队成员进行了合理的分工。由于高质量的材料是实现这一量子效应的关键，薛其坤亲自担任样品生长的总负责人，并指定由中科院物理所马旭村研究组的何珂带领几位研究生具体进行。反常霍尔效应测量则由清华大学物理系的王亚愚负责。当时何珂刚刚进入物理所工作，王亚愚在清华的输运实验室也刚刚搭建调试完毕。两个年轻人对于能够负责这样重大的研究课题感到非常兴奋，然而在研究中遇到的挑战也给他们带来很大的压力。

　　“最开始的时候不要说量子化的反常霍尔效应，就连这些材料在离开超高真空的生长环境后，我们能否获得可靠的输运数据都没有把握。”王亚愚说。然而，正是薛其坤团队在高质量样品生长方面的深厚基础，特别是薛其坤院士本人在样品生长关键技术方面的具体指导，使得他们在建立了拓扑绝缘体生长动力学的基础上，最终克服了重重困难。

　　材料生长动力学成为实验成功的制胜武器

　　薛其坤团队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，并长出了高质量的薄膜。从这一天起，他们就在世界上领先，并且一直将这个优势保持下去，直至最终得到完美的实验结果。

　　在拓扑绝缘体研究的初期，薛其坤就敏锐地意识到，拓扑绝缘体材料的生长动力学与自己长期从事的砷化镓研究有非常类似的地方。于是，他迅速制定了实验方案——按照生长砷化镓的方法进行实验，首先建立起拓扑绝缘体材料的生长动力学。

　　材料的生长动力学描述的是如何从一个个原子的反应最后形成一个宏观样品的过程，只有掌握了材料的生长动力学，才能精确地控制材料的生长。从1992年攻读博士学位起，薛其坤就一直从事薄膜生长动力学的系统研究，至今已经累积了20余年的经验，并已获得两项国家自然科学奖二等奖。

　　在薛其坤的亲自指导下，团队仅用三四个月，就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，实现了对样品生长过程在原子水平上的精确控制，使得薄膜样品的质量很快达到了国际领先水平。“可以说就是从建立起这类材料的生长动力学的这一天起，我们就奠定了在这项研究中的领先地位。”薛其坤说。

　　三维拓扑绝缘体的理论预言和高质量拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学及电子态研究等系列成果在国际学术界引起了广泛的关注，并以总得票排名第一入选了“2010年度中国科学十大进展”。

　　恰好在这个关键的时刻，张首晟作为“千人计划”学者受聘于清华大学，自此与薛其坤团队开始了紧密的合作研究。他们决定把研究的重点放在量子反常霍尔效应上，因为这无疑是拓扑绝缘体领域最具影响力的工作。   1 2 3 下一页 尾页