<p class="ql-block"><b>導讀：</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">北京時間2023年10月24日，美國物理學會（American Physical Society）宣布，中國科學院院士、清華大學教授、南方科技大學校長<b>薛其坤獲得2024年度的巴克利獎</b>（2024 Oliver E. Buckley Condensed Matter Physics Prize）。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">這是該獎自1953年授獎以來，<b>首次頒發(fā)給中國籍物理學家</b>。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">巴克利獎是什么？薛其坤院士何以成為70年以來首位中國籍獲獎者？</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">今天，讓我們走進這一“<b>世界首次</b>”的背后。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>什么是巴克利獎？</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">巴克利獎于1952年設(shè)立，由美國電話電報公司貝爾實驗室（AT&T Bell Laboratories）捐贈。1953年，巴克利獎首次授獎，此后每年頒發(fā)一次，通常授予一人，但也可以由多人共享。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block">圖1 ：貝爾實驗室</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">巴克利獎由美國物理學會每年頒發(fā)，<b>旨在表彰和鼓勵領(lǐng)域內(nèi)的杰出理論或?qū)嶒炟暙I，評選標準強調(diào)必須是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域“最重要”的貢獻</b>。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">1953年和1954年，前兩屆巴克利獎分別授予了晶體管的發(fā)明人William Shockley和 John Bardeen，以表彰他們在半導體物理學方面作出的重要貢獻。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">如今晶體管已經(jīng)成為現(xiàn)代電器中最關(guān)鍵的元件之一，推動了計算機產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">此后，巴克利獎多次授予凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重大突破，它也憑借嚴格的評選標準和高度科學性，被認為是<b>國際凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的最高獎</b>。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block">圖2： Shockley（前）、Bardeen（中）和Brattain（右）在貝爾實驗室</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">巴克利獎設(shè)立至今，僅有寥寥幾位華人物理學家曾獲得該獎。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">例如，1984年，崔琦憑借“發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應”，成為首位獲得巴克利獎的華人科學家。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">進入本世紀以來，著名華人科學家沈志勛、張首晟和文小剛曾獲得該獎。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">此次，薛其坤院士獲得巴克利獎，<b>成為該獎項獲得者中第一位中國籍的科學家，是中國科學家對世界物理學作出貢獻的典范。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>薛其坤獲巴克利獎，實至名歸</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">量子反?；魻栃谴祟I(lǐng)域研究的重大科學目標之一，巴克利獎曾多次授予與量子霍爾效應有關(guān)的發(fā)現(xiàn)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2012年底，薛其坤團隊在實驗上取得重大突破，在美國物理學家霍爾于1881年發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應的131年后，<b>終于實現(xiàn)了反常霍爾效應的量子化</b>。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">這是我國科學家從實驗上獨立觀測到的一個重要物理現(xiàn)象，也是世界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一項重要科學發(fā)現(xiàn)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>什么是量子反?；魻栃?lt;/b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">首先，從霍爾效應講起。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">霍爾效應是美國物理學家霍爾（Edwin Hall）于1879年發(fā)現(xiàn)的一個物理效應。在一個通有電流的導體中，如果施加一個垂直于電流方向的磁場，由于洛倫茲力的作用，電子的運動軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場方向的導體兩端產(chǎn)生電壓，這個電磁輸運現(xiàn)象就是著名的霍爾效應。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block">圖4： 霍爾效應</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">1881年，霍爾在研究磁性金屬的霍爾效應時發(fā)現(xiàn)，即使不加外磁場也可以觀測到霍爾效應，這種零磁場中的霍爾效應就是反?；魻栃?lt;/p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">反?；魻栃c普通的霍爾效應在本質(zhì)上完全不同，它是由于材料本身的自發(fā)磁化而產(chǎn)生的，是一類新的重要物理效應。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">同時，既然存在有霍爾效應的量子化版本——量子霍爾效應，那么。也應該存在反常霍爾效應的量子化版本——量子反?；魻栃?。量子反?；魻栃绻麑崿F(xiàn)，將意味著可以在零磁場下實現(xiàn)量子霍爾效應。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">因此，在發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應以及分數(shù)量子霍爾效應后不久，科學家便開始去嘗試探尋量子反常霍爾效應的存在。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">然而，<b>這項世界難題曾多年懸而未解，加之量子反常霍爾效應在應用方面的重要性，從理論研究和實驗上實現(xiàn)量子反常霍爾效應成為凝聚態(tài)物理學家追求的目標</b>。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>推動量子霍爾效應研究前進一大步</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">自1988年開始，就不斷有理論物理學家提出各種方案。然而，反常霍爾效應的量子化需要材料的性質(zhì)同時滿足三項非?？量痰臈l件，這就如同要求一個人同時具有短跑運動員的速度、籃球運動員的高度和體操運動員的靈巧：材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓撲特性從而具有導電的一維邊緣態(tài)，即一維導電通道；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反?；魻栃徊牧系捏w內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而對導電沒有任何貢獻，只有一維邊緣態(tài)參與導電。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b><span class="ql-cursor">?</span>在實際的材料中，實現(xiàn)以上任何一點都具有相當大的難度，更何況要同時滿足這三點</b>。來自美國、德國、日本等國的科學家均未取得最后的成功。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block">圖5： 量子反常霍爾效應的原理示意圖</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2012年底，由薛其坤院士領(lǐng)銜的團隊從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應，成為<b>凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重大進展</b>。該成果于2013年3月在《科學》雜志在線發(fā)表。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">此后，薛其坤團隊的研究成果也得到了<b>國內(nèi)外科學界的廣泛認可</b>。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2019年，薛其坤獲得2018年度國家自然科學獎一等獎；</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2020年獲菲列茲·倫敦獎，成為該獎設(shè)立以來首個獲得這一榮譽的中國科學家。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">同時，薛其坤團隊還收獲了多種獎項——團隊成員馬旭村獲中國青年女科學家獎，王亞愚獲中國物理學會“黃昆物理獎”，何珂獲日本“仁科芳雄亞洲獎”……</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block">圖3 ：薛其坤院士與團隊成員</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>有望引起信息技術(shù)新革命</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">量子霍爾效應具有廣闊的應用前景，可以用于制備低能耗的電子器件。例如，如果把量子霍爾效應引入計算機芯片，將會克服電腦的發(fā)熱和能量耗散等問題。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">然而，由于普通量子霍爾效應的產(chǎn)生需要用到非常強的磁場（通常需要的磁場強度是地磁場的幾萬甚至幾十萬倍），應用起來非常昂貴和困難。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">如果能在實驗上實現(xiàn)零磁場中的量子霍爾效應，我們就有可能利用其無耗散的邊緣態(tài)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學器件。<b>薛其坤團隊的研究成果有望使這一期待變成現(xiàn)實</b>。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>中國科學家團隊持續(xù)攻關(guān)國際科技難題</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">自2009年起，在薛其坤院士的帶領(lǐng)下，由清華大學物理系、中國科學院物理研究所的四個研究組組成的實驗團隊，同中國科學院物理研究所、美國斯坦福大學的研究組組成的理論團隊，<b>開始向量子反?；魻栃膶嶒瀸崿F(xiàn)發(fā)起沖擊。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">在近四年的時間里，團隊生長和測量了超過1000個樣品，一步步克服了重重障礙。團隊利用分子束外延的方法生長了高質(zhì)量的磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜，將其制備成輸運器件并在極低溫環(huán)境下對其磁電阻和反?；魻栃M行了精密測量。他們發(fā)現(xiàn)在一定的外加柵極電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應的特征值h/e2~ 25813歐姆。<b>這是世界范圍內(nèi)，首次在實驗上發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?lt;/b></p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block">圖6 ：量子反?；魻栃膶嶒灠l(fā)現(xiàn)的最終測量樣品和數(shù)據(jù)</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2014年至2016年，東京大學、加州大學、麻省理工學院、普林斯頓大學先后重復驗證這一發(fā)現(xiàn)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">在瑞典皇家科學院編寫的《2016年諾貝爾物理獎科學背景介紹》中，將此發(fā)現(xiàn)列為拓撲物質(zhì)領(lǐng)域代表性的實驗突破，得到了最權(quán)威評價機構(gòu)的高度認可。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">薛其坤團隊在獲得成功后并未止步不前，而是繼續(xù)探索未知。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2015年，團隊實現(xiàn)量子反常霍爾效應零電導平臺的首次觀測。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2017年，團隊將量子反?；魻栃^測溫度提高了一個數(shù)量級，并首次實現(xiàn)量子反?；魻栃鄬咏Y(jié)構(gòu)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2018年，團隊與合作者首次實驗發(fā)現(xiàn)一種內(nèi)稟磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4，開啟了一個國際上新的熱點研究方向。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">如今，研究團隊每天仍然花費大量的時間在實驗室中，<b>不斷去嘗試構(gòu)筑新奇的量子物態(tài)和結(jié)構(gòu)，期待能夠發(fā)現(xiàn)更多有趣的量子效應</b>。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block">圖7： 薛其坤院士在實驗室</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">“獲得巴克利獎，說明我們中國的成果已經(jīng)得到了美國物理學界、世界物理學界的高度認可，說明我們這個成果經(jīng)過10多年的發(fā)展，經(jīng)受住了科學的考驗?！?lt;/p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">薛其坤院士說，量子反?；魻栃膶嶒灠l(fā)現(xiàn)是在國家改革開放40多年來國民經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的積累之下，中國科學家在基礎(chǔ)研究上取得的重要成果?！?lt;/p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">經(jīng)過改革開放40多年，像我們這樣的成果的產(chǎn)生，不但反映了經(jīng)濟的進步，同時反映了<b>我們的科學研究也逐漸進入世界舞臺中央</b>?！?lt;/p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">薛其坤院士相信，在未來，中國的基礎(chǔ)研究將有更多的具有重大突破意義的成果涌現(xiàn)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">我們國家的科學研究也將以習近平總書記提出的“打造人類命運共同體”的理念為指引，為人類社會的發(fā)展、為人類的科學進步作出貢獻。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p>