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薛其坤:探寻量子世界奥秘

2015-6-5 15:13:44科技日报 【字体:

薛其坤:探寻量子世界奥秘

  5月30日,薛其坤(左)和他的学生在清华大学实验室里工作。新华社记者 李文摄

  人可以穿墙而过,旋转可以永动不停……起来像是《聊斋志异》中才有的场景,然而在微观世界里它却真实存在。那是一个只属于物理学家的世界,在那里有许多不可思议的现象——它是薛其坤的另一个世界。

  在此,物理学家薛其坤已经守望了30多年,有过许多的发现,其中最让世人惊叹的便是他于2012年10月从实验上首次发现量子反常霍尔效应。

  令人振奋的发现——量子反常霍尔效应

  在微观世界里,在不需要强磁场的情况下,电子可在各自的跑道上按规则有序地快速奔跑,这便是量子反常霍尔效应。而薛其坤第一次在实验中观测到这一现象。

  2013年3月15日《科学》杂志发表文章,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。

  “量子反常霍尔效应”,这是一个大多数人不懂的名词。然而,它却让微观世界的奇妙现象转换到宏观世界中成为可能。

  在凝聚态物理中,量子霍尔效应占据着极其重要的地位。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改变这一现象,“就好比一辆高级跑车,常态下是在拥挤的农贸市场上前进,而在量子霍尔效应下,则可以在‘各行其道、互不干扰’的高速路上前进。”

  遗憾的是,量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场,这一缺点阻碍了其在现实生活中的应用。量子反常霍尔效应是一个全新的量子效应,由于其不需要外加磁场,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。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。

  “你想想,在那个世界里,粒子怎么可以穿过势垒,电子为什么可以围绕原子核不停旋转,这些奇妙的现象是偶然吗?到底是什么原理呢?好奇么?”薛其坤说这话的时候带着他招牌式的笑容,语气却又带着几分孩子气的探究。据说他平时老用这招吸引学生在枯燥的实验和科研中坚持下去。

  一切不是偶然——机会属于有准备的人

  2012年10月12日晚10点35分,薛其坤收到学生常翠祖的一条短信,“薛老师,量子反常霍尔效应出来了,等待详细测量。”这是薛其坤等待已久的消息,他和他的团队已经为此努力了4年多。

  时光追溯到2008年,薛其坤清楚地记得自己最初了解到拓扑绝缘体的概念以及相关研究成果时激动和兴奋的心情。从此,“拓扑绝缘体”走进了薛其坤的视野,并一直伴随着他的研究生涯。

  那一年,华裔物理学家、斯坦福大学的张首晟教授等理论物理学家提出了用磁性拓扑绝缘体实现量子反常霍尔效应的方案,从理论上提出这一材料实现量子反常霍尔效应可能性,但能否在实验中发现它还是未知数。张首晟和薛其坤有深厚的友谊,他们在交流中认识到,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。

  机会从来都属于有准备的人。薛其坤在材料、半导体领域的研究让他成为从事这一研究的不二人选。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。“你不知道,早在多年前,薛老师在材料科学领域就已经是极富盛名的科学家,在日本科学界是响当当的人物。”薛其坤曾经的学生、现在的同事何珂告诉科技日报记者。

  不是一个人在战斗——协调团队做出最好的科研

  用拓扑绝缘体制备出样品,而后进行检测,然后根据检测结果做出相应的调整是每天的工作。如何能提高效率,尽快地实现量子反常霍尔效应?薛其坤想到了王亚愚。王亚愚是普林斯顿走出的著名物理学家,主要研究工作是运用精密的电学、磁学、热学和扫描隧道显微术等实验手段,探索凝聚态物质中由于电子间的强相互作用而引起的非常规物理现象。简单地说,薛其坤制备样品、王亚愚来检测。两个方向不同的物理学家开创性地组成了一个团队,这样紧密地结合在全世界也不多见,极大地提高了实验的效率。这个团队以每天两个样品的速度高效地运转着,在进行实验的4年中,他们先后尝试了1000多个拓扑绝缘体样品,最终他们获得了成功。

  当年那个给他发短信的学生常翠祖如今已经身在美国麻省理工学院(MIT),在那里他从新的材料体系里也实现了量子反常霍尔效应。他始终保持着与恩师最紧密的联系。他说从老师那里,得到的最重要的东西不是作为第一作者发表了引起重大影响的学术论文,而是知道了如何协调一个团队做出最好的科研成果。

  “好人”,是学生对薛老师最朴实的评价。即便是在成为清华大学副校长后异常忙碌的日子里,他始终保持着与学生们研讨的习惯,“不管在哪里见到他,他都会先向你笑——那样咧开嘴,高兴到心里的笑,感染着我们团队的每一个人。”他的学生告诉记者。

  几乎所有与薛其坤认识的人都愿意与他有更深入的合作。王亚愚说:“只有薛老师才能汇聚起这么多人,能去做这项研究。”

  做研究如看侦探小说——一旦开始就停不下来

  薛其坤爱看侦探小说,最爱看破案的节目。“当我看侦探小说的时候,在谜底揭开之前绝对不会把书放下。同样,当我发现一个现象不能解释,我一定要天天做实验,不停地想啊,这个现象到底存在吗,什么条件下存在呢,揭开谜底的过程每一步都充满着惊喜。”

  “对沉迷于科研的人来说,每一天都是那么快乐,以至于时间一不小心就溜走了。”薛其坤说,“当你的实验数据比别人更准确、更漂亮时,那种快乐,你能体会吗?当你把一个复杂的庞大的仪器用得像骑自行车一样熟练时,那种自如,你能体会吗?当你的研究获得突破性进展时,那种骄傲,你能体会吗?”薛其坤追问记者。

  所以,对薛其坤来说,发现量子反常霍尔效应,不是终点,而是开篇。薛其坤在科研的道路上从未停止。他告诉记者,现在的量子反常霍尔效应是在接近零下273摄氏度中实现的,要想实现应用,就需要把温度往上升。“若是能让量子反常霍尔效应在常温下实现,那时全世界的物理学家都会欣喜万分。”薛其坤说。

  现在,离薛其坤团队第一次观测到量子反常霍尔效应已经过去了两年多,在这两年多的时间里,不断有好消息传来:4所国外顶级名校已实现量子反常霍尔效应。同时,薛其坤和他的同事还在保持着每天两个样品的速度加紧研究和测试,并又观察到一些有趣的新现象,比如发现零霍尔电导平台。

  “即便有再多事情,只要在北京,薛老师一定要到实验室来,因为他要跟我们一起想象另外一个世界的事,哎呀,真是特别有趣。”何珂笑眯眯地对记者说。

  5月30日中午12点,薛其坤忙完上午工作,从实验室回理学院办公室,经过三楼时他照例稍停了一下,这里有一堵闻名全国的院士墙。上面是清华物理系毕业或工作过的八十多位院士图片,叶企孙、吴有训、吴大猷、王大珩、周培源……每一位都有赫赫威名,薛其坤是其中的“小字辈”。薛其坤的手从他们的照片上一一抚过,中国物理学的昨天、今天和明天在这里延伸……



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