攻克量子世界制高点

2019年01月10日 14:15:43 来源: 经济日报
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薛其坤院士在做试验。 (资料图片)

  微观世界的运行由量子力学规律支配,会显示出完全不同于宏观世界的现象。当前,能够在宏观尺度显示量子力学效应的量子材料是物理学、材料科学、电子学、量子信息等学科共同关注的焦点,有可能会推动材料、信息、能源等技术的革命性发展

  刚刚落幕的国家科学技术奖励大会上,由我国科学家薛其坤、王亚愚、何珂、马旭村、吕力为代表的研究团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”项目,获得2018年度国家自然科学奖一等奖。

  这项研究成果是世界物理学界近20年来最重要的实验发现之一,成果将推动新一代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。

  量子反常霍尔现象因何能成为物理学研究皇冠上的明珠?它的发现究竟具有怎样的科学、社会、经济意义?请听项目负责人、中国科学院院士、清华大学副校长薛其坤怎么说。

  神秘的霍尔效应家族

  从1879年美国物理学家霍尔发现霍尔效应,到反常霍尔效应、量子霍尔效应、反常霍尔效应量子化……科学家一步步揭开霍尔效应家族神秘面纱

  科学界对霍尔效应家族的研究由来已久。从140年前霍尔效应被发现,到2013年薛其坤团队发现量子反常霍尔效应——霍尔效应家族不断增添新成员。今天,我们就来揭开这些成员的神秘面纱。

  通常,在普通导体中,电子的运动轨迹杂乱无章,不断发生碰撞。而当在导体两端加上电压后,电子就会形成沿电场方向的稳定电流。

  1879年,美国物理学家霍尔发现,如果在通电的非磁性导体上增加一个垂直于电流方向的外磁场,那么,导体中的电子由于磁场的作用力,会在垂直于电流方向的导体两端形成稳定电荷积累,这就是著名的霍尔效应。霍尔效应在人类的日常生活中应用十分广泛。比如,信号传感器、汽车速度表和里程表、各种用电负载的电流检测及开关,等等。

  1880年到1881年间,霍尔又发现,在有磁性的导体上,即使不外加磁场,也可观测到霍尔效应——这便是反常霍尔效应。

  100年后,随着量子物理学的发展,以及半导体技术日新月异,科学家发现,在外磁场足够强且温度足够低时,半导体硅中的电子会在原地打转,而其边界上会形成不易被外界干扰的、电子半圆形跳跃的单向导电通道——即量子霍尔效应。在这种效应下,电子的运动几乎没有能量损耗。

  “使用计算机时,我们会遇到计算机发热、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轨道,相互碰撞从而发生能量损耗。”薛其坤打了一个比方,而量子霍尔效应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。“这就好比一辆高速跑车,常态下是在拥挤的农贸市场上前进,而在量子霍尔效应下,可以互不干扰地在高速路上飞驰。”薛其坤说。

  随着霍尔效应研究进入量子化时代,重大研究成果不断涌现。1982年,崔琦和霍斯特·施特默发现了分数量子霍尔效应,因此获得了1998年诺贝尔物理学奖。2005年,科学家们又发现了石墨烯中的半整数量子霍尔效应,斩获2010年的诺贝尔物理学奖……

  量子霍尔效应之所以如此重要,一方面由于它们展现了二维电子系统在低温强磁场极端条件下的奇妙量子行为;另一方面这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用,可以用于制备低能耗的高速电子器件。例如,如果把量子霍尔效应引入计算机或手机芯片,将会大大降低电脑、手机的发热和能量耗散问题。

  可能有人会问,这不意味着一场新的信息革命吗?没错。

  但是,霍尔效应实现量子化,有着两个极端苛刻的前提条件:一是需要十几万高斯的强磁场,而地球的磁场强度才不过0.5高斯;二是需要接近于绝对零度的温度。

  在此背景下,科学家们又提出了一个设想:普通状态下的霍尔现象会出现反常,那么,量子化的霍尔现象是否也能出现反常?如果有,不是就可以解决外加高磁场的先决条件了吗?

  从2008年开始,以华人物理学家张首晟为代表的理论物理学家,与清华大学的祁晓亮、刘朝星以及中国科学院物理所方忠、戴希等展开通力合作,从理论上预期了实现反常霍尔效应量子化的可能性和可能的材料体系。

  矛盾的研究

  要实现反常霍尔效应量子化,所需要的实验材料必须同时满足3个几乎相互矛盾的严苛条件,这几乎是不可能完成的任务

  如何让量子霍尔效应出现反常?这是过去30多年里,凝聚态物理和材料物理领域最具挑战的实验之一。因为,要实现这一目标,所需要的实验材料必须同时满足3个严苛条件。

  简单来说,就是要让导体同时实现“磁性的”“拓扑的”“绝缘的”。而这3个条件之间常常是相互矛盾的,如果有磁性,做到绝缘不容易;相反如果绝缘,磁性很可能就消失了。“这就好比一个运动员,既要有速度又要有力量还要有技巧,这几乎是不可能完成的任务。”清华大学物理系主任王亚愚说。

  幸运的是,2006年,一种新型材料——拓扑绝缘体的出现,让全球物理学家们看到了希望。

  “拓扑绝缘体是一种新型量子材料,它的内部是绝缘的,但在它的边界或表面总存在导电的边缘态。”王亚愚解释说。

  这种神奇材料的构想最初是张首晟与美国另外两位科学家共同提出的。后来,张首晟通过与中国科学院物理所和清华大学的合作,把拓扑绝缘体研究带到了中国。

  2009年,张首晟团队提出了将Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3掺入3d磁性元素,实现磁性拓扑绝缘体的方案,并做了具体的解析计算。随后,张首晟又与方忠、戴希开展合作,认证了该系统乃是磁性拓扑绝缘体,是实现量子反常霍尔效应的理想材料。

  这一系列的理论工作,引起了国内外实验物理学家的广泛关注。从此,一场轰轰烈烈的国际竞赛开始了。

  但是,要想真正在实验室制作出理想的拓扑绝缘体材料,是一个世界级的科学难题。薛其坤解释说,实验要求做出高纯度的单晶材料,100万个原子中最多只允许出现一个杂质。而且,实验要求做出极其平整的拓扑绝缘体,材料只能是5纳米(1纳米等于百万分之一毫米)厚,表面凹凸1纳米都不行。

  当时,国际上已有多支顶尖团队开展相关研究,而薛其坤团队在人员、资金、经验方面都不占优势。在此情况下,薛其坤作为团队负责人展现出一名科学家应有的沉着冷静——他对团队成员进行了合理分工:自己带队去研究制作高质量的拓扑绝缘体薄膜,王亚愚则负责反常霍尔效应的测量。

  在拓扑绝缘体研究初期,薛其坤敏锐地意识到,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具有非常类似的地方。材料的生长动力学是描述如何从一个个原子的反应最后形成一个宏观晶体材料的过程。因此,只有掌握了材料的生长动力学,才能精确控制材料的生长,进而精确控制材料的质量。

  在团队成员共同努力下,仅用了三四个月,他们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原子水平上的精确控制。这也帮助成功研制磁性拓扑绝缘体薄膜迈出了重要坚实的一步。

  完美的成果

  在1881年发现反常霍尔效应100多年后,中国科学家终于实现了其量子化——而且实验结果干净漂亮,数据完美得几乎不可思议

  生长、测量、反馈、调整……从2009年开始,团队围绕磁性拓扑绝缘体材料的研制,开启了不厌其烦地重复。

  团队成员马旭村回忆,实验组总共做了超过1000次磁性掺杂的样品测量。而在生长阶段就失败而没拿去测量的样品,根本没人统计过。“顺利时,一周能做出5块样品;不顺利时,一个月也做不出来一块。”

  历经不断探索和磨合,团队最终找到了一条合理的技术路线。“这在很大程度上得益于样品生长和输运测量研究组的紧密合作。团队成员几乎每天都通过邮件和电话交流实验结果,每2至3周会开展一次充分讨论,分析实验的所有细节,并制订下一步详尽计划。”团队成员何珂说。

  功夫不负有心人。2010年,团队完成了对1纳米到6纳米厚度薄膜的生长和输运测量,得到了系统的结果,从而使得准二维拓扑绝缘体的制备和输运测量成为可能。2011年,团队实现了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控,使其成为真正的绝缘体,去除了体内电子对输运性质的影响。2011年底,团队在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性,并利用外加栅极电压对其电子结构进行了精密调控——至此,量子反常霍尔效应所需要的3个实验材料苛刻条件终于全部实现!

  从拓扑绝缘体材料生长初期的成功,再到后期克服实验中的重重难关,薛其坤团队付出了常人难以想象的努力。但实验最终的成功与否,还要看一个标志性实验数据——在零磁场中,能否让磁性拓扑绝缘体材料的霍尔电阻跳变到25813欧姆的量子电阻值。

  奇迹出现在2012年10月的一个晚上。薛其坤收到学生的短信:他们在实验中发现了量子反常霍尔效应的迹象!

  至今,薛其坤仍然清晰记得当时激动的心情。他当下组织团队人员设计出几套方案,部署好下一步实验。一向严谨的薛其坤明白,一次的测量结果并不能说明问题,需要多次重复实验。为确认看到的迹象就是量子反常霍尔效应,薛其坤邀请中国科学院物理所的吕力实验组加入到最后阶段的冲刺——他们的稀释制冷机可以把实验温度降到30mk(比绝对零度高0.03℃)。

  实验数据不停跳动着,10000、20000、25813!数据停住了!材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到量子电阻(h/e2~25813欧姆)的数值并形成一个平台,同时纵向电阻急剧降低并趋近于零,这是量子反常霍尔效应的特征性行为。

  这是见证奇迹的时刻——在美国物理学家于1881年发现反常霍尔效应100多年后,人类终于实现了其量子化!而且实验结果如此干净漂亮,数据完美得几乎不可思议。

  4年多艰苦卓绝的协同攻关,薛其坤团队克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关,一步步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控,最终为这一物理现象的实现画上了完美句号。

  “建立新的科学理论、发现新的科学效应和科学规律是基础研究皇冠上的明珠。量子反常霍尔效应是一个基于全新物理原理的科学效应,是中华人民共和国成立以来我国独立观测到的不多的科学效应之一,是我国物理学工作者对人类科学知识宝库的一个重要贡献。”薛其坤说。(记者 常理)

(原标题:揭秘国家自然科学奖一等奖获奖项目“量子反常霍尔效应的实验发现”——攻克量子世界制高点)

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