薛其坤眼中“神奇的量子世界”（二）
首屆未來科學大獎物質科學獎得主、清華大學副校長薛其坤教授特別受邀出席未來科學大獎峰會並發表了主旨演講，這也是其在獲獎後的首次公開亮相。藤影荷聲將連續刊載薛其坤院士的演講稿，
續薛其坤眼中“神奇的量子世界”（一）
霍爾效應的發展歷史
這是一個時間軸，讓我們回顧歷史，
我們看整數量子霍爾效應霍爾電阻隨著磁場的變化，它和霍爾效應一樣線性變化，磁場越大，霍爾電阻越大。但是（磁場）達到了一個值的時候出現了一個平臺。也就是說，在這個平臺上加磁場，霍爾電阻不發生任何變化。
1982年，把材料再換一下，就是做鐳射筆的砷化鎵半導體，美國三個科學家發現了分數量子霍爾效應。也很奇怪，我就不在這裡多解釋了。1983年發現了拓撲物態。後面又有多位科學家因為霍爾效應得到諾貝爾獎。
這裡，涉及到一個基本的物理參量，就是磁場，
你自然就問，剛才提到有反常霍爾效應，它不需要磁場，是靠材料本身磁場就能造成霍爾效應嘛，能不能實現反常霍爾效應的量子化？這個於2013年我們團隊和中科院物理研究所、斯坦福大學張守晟教授合作，在經過133年以後於反常霍爾效應的量子化上做出了重大的實驗發現，這太重要了。我這次獲獎的重要內容是實現了量子反常霍爾效應，其實是伴隨著國家的科學發展、我們國家的強大，（我們）才走到了今天。從這個角度去看還是非常的不容易。
再說下去就是今年的諾貝爾物理獎。憑藉1983年提出的拓撲相變和拓撲物態的理論，三位科學家獲得了今年的諾貝爾物理獎。在評獎委員會內容介紹中，他把我們的量子反常霍爾效應作為拓撲物質相最重要的發現寫了進去。雖然我們做出的量子反常霍爾效應不是沿著當時理論框架做出來的，但我們非常自豪，因為這次是作為最重要的拓撲物質相或者拓撲物質態寫在了上面，這說明我們實驗工作水準已經達到了這個地步，也可以說我們的實驗發現大大推動了部分理論物理學家拿到了這個獎。
量子反常霍爾效應的發現
得益於國家的經濟發展，在2005年的時候，我們實驗室已經有了非常好的技術條件，這時候華人物理學家張守晟和其他美國物理學家，在我剛才提到的八十年代諾貝爾獎工作的基礎上直接把拓撲物質相的材料，通過另一個途徑提出來了，這是科學上一個巨大的跳躍。這個圖就是他們提出的拓撲絕緣體，包括磁性拓撲絕緣體。左邊是我們用量子力學能簡單解釋的一般絕緣體。比如碗，它是絕緣的，右邊是一個導體，金碗，是導電的，用量子力學可以解釋這兩個為什麼不一樣。
什麼是拓撲絕緣體？拓撲絕緣體也是一個很神奇的量子現象，它就像一個陶瓷碗上鍍了一層非常薄（大概一納米厚）的薄膜。有意思的是，這個金膜你弄不掉，你把金膜用刀刮掉它馬上會自發的產生新的金膜，你再刮掉，甚至刮的再厚一點，你把它砍掉，厚度減小一半，金膜還是存在的。你把它打成碎片也沒用，還是存在，除非把這個材料徹底分解變成原子，否則這一層金膜就會永遠像鬼一樣附在陶瓷碗的表面。磁性拓撲絕緣體也很神奇，通過在材料中引入磁性，就可以把大部分地方的金膜自動去掉，只剩下邊緣部分，邊緣上的（金膜）也是搞不掉的。這是2005年從理論上發現的拓撲絕緣體。
2008年：我們建立了精確控制化合物拓撲絕緣體的分子束外延生長動力學；
2009-2010年：證明拓撲絕緣體剛才那層金膜是受時間反演對稱性保護和無品質狄拉克費米子特性；
2011-2012年：製備出剛才我們談到的磁性的拓撲絕緣體；
2012年10月發現量子反常霍爾效應，12月完成所有實驗，在2013年4月發表。
量子反常霍爾效應研究的挑戰
大家看的照片就是當時我們開始進行研究時製備出來的、當時在國際上屬於品質最高的拓撲絕緣體薄膜。左邊這個薄膜非常的平，但是一旦放大，會看到一個個的硒原子，但你看不到一個亮度不同的亮點，這說明材料一點雜質都沒有。我們做出一個嚴格化學配比、Bi和Se的比例是2:3的化合物，而且達到了百萬分之一水準的精度。這個當然很難。.我們能做到的水準，和剛才提到的20多年的積累有密切關係，但這還不是最難的。量子反常霍爾效應最大的挑戰是要製備出有磁性的、還要有拓撲性質的、還要絕緣的薄膜，而且我們不知道薄膜該多厚。我做一個形象的比喻，這個材料性質就好比要求一個人你要有短跑運動員的速度，還要有舉重運動員的力量，還要有體操運動員的技巧，很難。我們的量子反常霍爾效應需要的材料就是這樣，這是非常大的挑戰。
還有其它挑戰。為了用宏觀電子設備做量子反常霍爾效應的測量，需要在一釐米見方物體上面生長5納米厚、非常均勻的薄膜。首先這是個技術活，做個比喻，相當於你要做一張A4紙，這個A4紙200公里見方。像電腦螢幕那麼大，我們做均勻沒問題。如果你水準高，把A4紙做的像我們房間這麼大而且很均勻也沒問題。但像北京市這麼大面積的A4紙，在門頭溝區和朝陽區的厚度完全一樣的，這就不容易了。最終我們用分子束外延克服了一系列的挑戰，成功做出了這個材料。
由於剛才一系列的挑戰，我們花了四年多的時間，而且是在我們剛開始的起點非常高的前提下。這是量子反常霍爾效應電阻隨著時間的變化。2010年到2011年，一年之內電阻幾乎是零，樣品全部是導電的。而我們要實現量子化電阻應該是h除以e的平方，它對應的電阻值是25812歐姆。又花了半年多提高了幾百歐姆，離兩萬多歐姆差的非常非常遠。中間有很多的放棄，但功夫不負有心人，轉機出現在2012年10月12日那天。那天回家剛停下車，學生的短信就來了，記得很清楚是10：35分。他說，薛老師，量子反常霍爾效應出來了，等待詳細測量。一個多月的鬱悶一下子消失的一乾二淨，一晚上興奮的沒有睡著覺。當時他看到的圖就是中間的這個資料。紅線靠近屋頂，到了屋頂就是量子化。更重要的是，黑線歐姆電阻在這個點上同時下降了，這是最重要的量子反常霍爾效應的跡象。後來我找到科學院物理所的呂力老師，使用溫度低到幾十毫K的儀器，在二個月之後實現了量子化。我認為這是今年諾貝爾獎評選委員會在整個文章中引用的最重要的一個相關實驗資料，就是我們這張圖。
量子反常霍爾效應是全新的，是不需要外加磁場的量子霍爾效應，所以它提供了一個不需外加磁場、歐姆電阻等於零的資訊公路。我們平常的電子器件，例如電晶體，如果非常小，裡面的電子就會像我們在交通擁擠路口的汽車一樣，而處在量子反常霍爾效應的電子像高速公路的汽車一樣。它們按照自己的軌道勇往直前，絕對不走回頭路，所以，為未來資訊技術發展，量子反常霍爾效應提供了全新的原理，使我們可以做出低能耗的量子器件，還可以和超導一起做量子計算。
未完待續
本文整理自薛其坤院士在未來論壇科技創新峰會上的演講，經本人授權後發佈，有刪減。
由於昂貴的強磁場儀器很難把這個作為應用。你自然就問，剛才提到有反常霍爾效應，它不需要磁場，是靠材料本身磁場就能造成霍爾效應嘛，能不能實現反常霍爾效應的量子化？這個於2013年我們團隊和中科院物理研究所、斯坦福大學張守晟教授合作，在經過133年以後於反常霍爾效應的量子化上做出了重大的實驗發現，這太重要了。我這次獲獎的重要內容是實現了量子反常霍爾效應，其實是伴隨著國家的科學發展、我們國家的強大，（我們）才走到了今天。從這個角度去看還是非常的不容易。
再說下去就是今年的諾貝爾物理獎。憑藉1983年提出的拓撲相變和拓撲物態的理論，三位科學家獲得了今年的諾貝爾物理獎。在評獎委員會內容介紹中，他把我們的量子反常霍爾效應作為拓撲物質相最重要的發現寫了進去。雖然我們做出的量子反常霍爾效應不是沿著當時理論框架做出來的，但我們非常自豪，因為這次是作為最重要的拓撲物質相或者拓撲物質態寫在了上面，這說明我們實驗工作水準已經達到了這個地步，也可以說我們的實驗發現大大推動了部分理論物理學家拿到了這個獎。
量子反常霍爾效應的發現
得益於國家的經濟發展，在2005年的時候，我們實驗室已經有了非常好的技術條件，這時候華人物理學家張守晟和其他美國物理學家，在我剛才提到的八十年代諾貝爾獎工作的基礎上直接把拓撲物質相的材料，通過另一個途徑提出來了，這是科學上一個巨大的跳躍。這個圖就是他們提出的拓撲絕緣體，包括磁性拓撲絕緣體。左邊是我們用量子力學能簡單解釋的一般絕緣體。比如碗，它是絕緣的，右邊是一個導體，金碗，是導電的，用量子力學可以解釋這兩個為什麼不一樣。
什麼是拓撲絕緣體？拓撲絕緣體也是一個很神奇的量子現象，它就像一個陶瓷碗上鍍了一層非常薄（大概一納米厚）的薄膜。有意思的是，這個金膜你弄不掉，你把金膜用刀刮掉它馬上會自發的產生新的金膜，你再刮掉，甚至刮的再厚一點，你把它砍掉，厚度減小一半，金膜還是存在的。你把它打成碎片也沒用，還是存在，除非把這個材料徹底分解變成原子，否則這一層金膜就會永遠像鬼一樣附在陶瓷碗的表面。磁性拓撲絕緣體也很神奇，通過在材料中引入磁性，就可以把大部分地方的金膜自動去掉，只剩下邊緣部分，邊緣上的（金膜）也是搞不掉的。這是2005年從理論上發現的拓撲絕緣體。
2008年：我們建立了精確控制化合物拓撲絕緣體的分子束外延生長動力學；
2009-2010年：證明拓撲絕緣體剛才那層金膜是受時間反演對稱性保護和無品質狄拉克費米子特性；
2011-2012年：製備出剛才我們談到的磁性的拓撲絕緣體；
2012年10月發現量子反常霍爾效應，12月完成所有實驗，在2013年4月發表。
量子反常霍爾效應研究的挑戰
大家看的照片就是當時我們開始進行研究時製備出來的、當時在國際上屬於品質最高的拓撲絕緣體薄膜。左邊這個薄膜非常的平，但是一旦放大，會看到一個個的硒原子，但你看不到一個亮度不同的亮點，這說明材料一點雜質都沒有。我們做出一個嚴格化學配比、Bi和Se的比例是2:3的化合物，而且達到了百萬分之一水準的精度。這個當然很難。.我們能做到的水準，和剛才提到的20多年的積累有密切關係，但這還不是最難的。量子反常霍爾效應最大的挑戰是要製備出有磁性的、還要有拓撲性質的、還要絕緣的薄膜，而且我們不知道薄膜該多厚。我做一個形象的比喻，這個材料性質就好比要求一個人你要有短跑運動員的速度，還要有舉重運動員的力量，還要有體操運動員的技巧，很難。我們的量子反常霍爾效應需要的材料就是這樣，這是非常大的挑戰。
還有其它挑戰。為了用宏觀電子設備做量子反常霍爾效應的測量，需要在一釐米見方物體上面生長5納米厚、非常均勻的薄膜。首先這是個技術活，做個比喻，相當於你要做一張A4紙，這個A4紙200公里見方。像電腦螢幕那麼大，我們做均勻沒問題。如果你水準高，把A4紙做的像我們房間這麼大而且很均勻也沒問題。但像北京市這麼大面積的A4紙，在門頭溝區和朝陽區的厚度完全一樣的，這就不容易了。最終我們用分子束外延克服了一系列的挑戰，成功做出了這個材料。
由於剛才一系列的挑戰，我們花了四年多的時間，而且是在我們剛開始的起點非常高的前提下。這是量子反常霍爾效應電阻隨著時間的變化。2010年到2011年，一年之內電阻幾乎是零，樣品全部是導電的。而我們要實現量子化電阻應該是h除以e的平方，它對應的電阻值是25812歐姆。又花了半年多提高了幾百歐姆，離兩萬多歐姆差的非常非常遠。中間有很多的放棄，但功夫不負有心人，轉機出現在2012年10月12日那天。那天回家剛停下車，學生的短信就來了，記得很清楚是10：35分。他說，薛老師，量子反常霍爾效應出來了，等待詳細測量。一個多月的鬱悶一下子消失的一乾二淨，一晚上興奮的沒有睡著覺。當時他看到的圖就是中間的這個資料。紅線靠近屋頂，到了屋頂就是量子化。更重要的是，黑線歐姆電阻在這個點上同時下降了，這是最重要的量子反常霍爾效應的跡象。後來我找到科學院物理所的呂力老師，使用溫度低到幾十毫K的儀器，在二個月之後實現了量子化。我認為這是今年諾貝爾獎評選委員會在整個文章中引用的最重要的一個相關實驗資料，就是我們這張圖。
量子反常霍爾效應是全新的，是不需要外加磁場的量子霍爾效應，所以它提供了一個不需外加磁場、歐姆電阻等於零的資訊公路。我們平常的電子器件，例如電晶體，如果非常小，裡面的電子就會像我們在交通擁擠路口的汽車一樣，而處在量子反常霍爾效應的電子像高速公路的汽車一樣。它們按照自己的軌道勇往直前，絕對不走回頭路，所以，為未來資訊技術發展，量子反常霍爾效應提供了全新的原理，使我們可以做出低能耗的量子器件，還可以和超導一起做量子計算。
未完待續
本文整理自薛其坤院士在未來論壇科技創新峰會上的演講，經本人授權後發佈，有刪減。