薛其坤等《科学》发文 首次在实验上发现量子反常霍尔效应

       清华大学夏令营介绍称：由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中科院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应，在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后终于实现了反常霍尔效应的量子化。这是我国科学家从实验上独立观测到的一个重要物理现象，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。该成果于北京时间3月15日凌晨（美国东部时间3月14日下午）在《科学》杂志在线发表。《科学》杂志的三位匿名审稿人对该项成果都给予了高度评价。文章的共同第一作者为清华大学物理系的博士生常翠祖、张金松、冯硝同学和中科院物理所的博士生沈洁同学。该工作是由清华大学物理系薛其坤、王亚愚、陈曦、贾金锋，中科院物理所何珂、马旭村、王立莉、吕力、方忠、戴希以及斯坦福大学/清华大学张首晟等一起共同攻关完成的。
    由于人们有可能利用量子霍尔效应发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件，这将会克服电脑的发热和能量耗散问题，从而有可能推动信息技术的进步。然而，由于普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场（通常需要的磁场强度是地磁场的几万甚至几十万倍），因此应用起来非常昂贵和困难。而量子反常霍尔效应的最美妙之处是不需要任何外加磁场，因此，这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命的进程。
    美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应。1980年德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应，1982年美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应，这两项成果分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理奖。2006年，张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，于2007年被实验证实。量子反常霍尔效应是又一个全新的量子效应，被认为有可能是量子霍尔效应家族的最后一个重要成员；加之其在应用方面的重要性，因此，从理论研究和实验上实现量子反常霍尔效应，成为凝聚态物理学家追求的目标。自1988年开始就不断有理论物理学家提出各种方案，这包括2008年张首晟等和2010年方忠和戴希等提出的磁性掺杂拓扑绝缘体方案。然而反常霍尔效应的量子化需要材料的性质同时满足三项非常苛刻的条件，这就如同要求一个人同时具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度和体操运动员的灵巧：材料的能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态，即一维导电通道；材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应；材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献，只有一维边缘态参与导电。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度，而要同时满足这三点对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战，美国、德国、日本等科学家由于无法在材料中同时满足这三点而未取得最后的成功。
     自2009年起，在清华大学薛其坤院士的带领下，中国科学院物理研究所的马旭村、何珂和王立莉、清华大学物理系王亚愚、陈曦和贾金锋以及中科院物理所的吕力等四个研究组组成的实验攻关团队，与中科院物理所方忠、戴希以及拓扑绝缘体理论的开创者之一、清华大学“千人计划”入选者、美国斯坦福大学张首晟等组成的理论团队，开始向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。在过去近四年的时间里，团队生长和测量了超过1000个样品，一步步克服了重重障碍。团队利用分子束外延的方法生长了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜，将其制备成输运器件并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。他们发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~ 25800欧姆。他们将研究成果投到美国《科学》（science）杂志，很快被接受。

     “这是我们团队精诚合作，联合攻关的共同成果，是中国科学家的集体荣誉”。薛其坤院士强调说。

　　在研究过程中，该团队取得了系列研究成果，拓扑绝缘体研究成果曾入选2010年中国科学十大进展和中国高校十大科技进展，团队成员还获得了2011年“求是杰出科学家奖”、“求是杰出科学成就集体奖”和“中国科学院杰出科技成就奖”以及2012年“陈嘉庚科学奖”和“全球华人物理学会亚洲成就奖”等荣誉。

　　该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部、清华大学和中国科学院等的基金资助。