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70年來(lái)首位中國(guó)人，薛其坤榮獲世界最高獎(jiǎng)

云啟霞蔚

<p class="ql-block"><b>導(dǎo)讀：</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">北京時(shí)間2023年10月24日，美國(guó)物理學(xué)會(huì)（American Physical Society）宣布，中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)<b>薛其坤獲得2024年度的巴克利獎(jiǎng)</b>（2024 Oliver E. Buckley Condensed Matter Physics Prize）。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">這是該獎(jiǎng)自1953年授獎(jiǎng)以來(lái)，<b>首次頒發(fā)給中國(guó)籍物理學(xué)家</b>。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">巴克利獎(jiǎng)是什么？薛其坤院士何以成為70年以來(lái)首位中國(guó)籍獲獎(jiǎng)?wù)撸?lt;/p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">今天，讓我們走進(jìn)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(jiǎng)？</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">巴克利獎(jiǎng)于1952年設(shè)立，由美國(guó)電話電報(bào)公司貝爾實(shí)驗(yàn)室（AT&amp;T Bell Laboratories）捐贈(zèng)。1953年，巴克利獎(jiǎng)首次授獎(jiǎng)，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(shí)驗(yàn)室</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">巴克利獎(jiǎng)由美國(guó)物理學(xué)會(huì)每年頒發(fā)，<b>旨在表彰和鼓勵(lì)領(lǐng)域內(nèi)的杰出理論或?qū)嶒?yàn)貢獻(xiàn)，評(píng)選標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)必須是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域“最重要”的貢獻(xiàn)</b>。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">1953年和1954年，前兩屆巴克利獎(jiǎng)分別授予了晶體管的發(fā)明人William Shockley和 John Bardeen，以表彰他們?cè)诎雽?dǎo)體物理學(xué)方面作出的重要貢獻(xiàn)。</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(dòng)了計(jì)算機(jī)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(jiǎng)多次授予凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重大突破，它也憑借嚴(yán)格的評(píng)選標(biāo)準(zhǔn)和高度科學(xué)性，被認(rèn)為是<b>國(guó)際凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)</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(shí)驗(yàn)室</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">巴克利獎(jiǎng)設(shè)立至今，僅有寥寥幾位華人物理學(xué)家曾獲得該獎(jiǎng)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">例如，1984年，崔琦憑借“發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”，成為首位獲得巴克利獎(jiǎng)的華人科學(xué)家。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，著名華人科學(xué)家沈志勛、張首晟和文小剛曾獲得該獎(jiǎng)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">此次，薛其坤院士獲得巴克利獎(jiǎng)，<b>成為該獎(jiǎng)項(xiàng)獲得者中第一位中國(guó)籍的科學(xué)家，是中國(guó)科學(xué)家對(duì)世界物理學(xué)作出貢獻(xiàn)的典范。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>薛其坤獲巴克利獎(jiǎng)，實(shí)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?yīng)是此領(lǐng)域研究的重大科學(xué)目標(biāo)之一，巴克利獎(jiǎng)曾多次授予與量子霍爾效應(yīng)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(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上取得重大突破，在美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1881年發(fā)現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)的131年后，<b>終于實(shí)現(xiàn)了反常霍爾效應(yīng)的量子化</b>。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">這是我國(guó)科學(xué)家從實(shí)驗(yàn)上獨(dú)立觀測(cè)到的一個(gè)重要物理現(xiàn)象，也是世界基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要科學(xué)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?yīng)？</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">首先，從霍爾效應(yīng)講起。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">霍爾效應(yīng)是美國(guó)物理學(xué)家霍爾（Edwin Hall）于1879年發(fā)現(xiàn)的一個(gè)物理效應(yīng)。在一個(gè)通有電流的導(dǎo)體中，如果施加一個(gè)垂直于電流方向的磁場(chǎng)，由于洛倫茲力的作用，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而在垂直于電流和磁場(chǎng)方向的導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓，這個(gè)電磁輸運(yùn)現(xiàn)象就是著名的霍爾效應(yīng)。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block">圖4： 霍爾效應(yīng)</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(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使不加外磁場(chǎng)也可以觀測(cè)到霍爾效應(yīng)，這種零磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)就是反常霍爾效應(yīng)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">反?；魻栃?yīng)與普通的霍爾效應(yīng)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(lèi)新的重要物理效應(yīng)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">同時(shí)，既然存在有霍爾效應(yīng)的量子化版本——量子霍爾效應(yīng)，那么。也應(yīng)該存在反常霍爾效應(yīng)的量子化版本——量子反?；魻栃?yīng)。量子反常霍爾效應(yīng)如果實(shí)現(xiàn)，將意味著可以在零磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)。</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(yīng)以及分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)后不久，科學(xué)家便開(kāi)始去嘗試探尋量子反常霍爾效應(yīng)的存在。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">然而，<b>這項(xiàng)世界難題曾多年懸而未解，加之量子反?；魻栃?yīng)在應(yīng)用方面的重要性，從理論研究和實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)成為凝聚態(tài)物理學(xué)家追求的目標(biāo)</b>。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>推動(dòng)量子霍爾效應(yīng)研究前進(jìn)一大步</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">自1988年開(kāi)始，就不斷有理論物理學(xué)家提出各種方案。然而，反?；魻栃?yīng)的量子化需要材料的性質(zhì)同時(shí)滿足三項(xiàng)非常苛刻的條件，這就如同要求一個(gè)人同時(shí)具有短跑運(yùn)動(dòng)員的速度、籃球運(yùn)動(dòng)員的高度和體操運(yùn)動(dòng)員的靈巧：材料的能帶結(jié)構(gòu)必須具有拓?fù)涮匦詮亩哂袑?dǎo)電的一維邊緣態(tài)，即一維導(dǎo)電通道；材料必須具有長(zhǎng)程鐵磁序從而存在反常霍爾效應(yīng)；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，只有一維邊緣態(tài)參與導(dǎo)電。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b><span class="ql-cursor">?</span>在實(shí)際的材料中，實(shí)現(xiàn)以上任何一點(diǎn)都具有相當(dāng)大的難度，更何況要同時(shí)滿足這三點(diǎn)</b>。來(lái)自美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)的科學(xué)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?；魻栃?yīng)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(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)上首次觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)，成為<b>凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重大進(jìn)展</b>。該成果于2013年3月在《科學(xué)》雜志在線發(fā)表。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">此后，薛其坤團(tuán)隊(duì)的研究成果也得到了<b>國(guó)內(nèi)外科學(xué)界的廣泛認(rèn)可</b>。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2019年，薛其坤獲得2018年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)；</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2020年獲菲列茲·倫敦獎(jiǎng)，成為該獎(jiǎng)設(shè)立以來(lái)首個(gè)獲得這一榮譽(yù)的中國(guó)科學(xué)家。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">同時(shí)，薛其坤團(tuán)隊(duì)還收獲了多種獎(jiǎng)項(xiàng)——團(tuán)隊(duì)成員馬旭村獲中國(guó)青年女科學(xué)家獎(jiǎng)，王亞愚獲中國(guó)物理學(xué)會(huì)“黃昆物理獎(jiǎng)”，何珂獲日本“仁科芳雄亞洲獎(jiǎng)”……</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block">圖3 ：薛其坤院士與團(tuán)隊(duì)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(yīng)具有廣闊的應(yīng)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(yīng)引入計(jì)算機(jī)芯片，將會(huì)克服電腦的發(fā)熱和能量耗散等問(wèn)題。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">然而，由于普通量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要用到非常強(qiáng)的磁場(chǎng)（通常需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度是地磁場(chǎng)的幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)倍），應(yīng)用起來(lái)非常昂貴和困難。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">如果能在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)零磁場(chǎng)中的量子霍爾效應(yīng)，我們就有可能利用其無(wú)耗散的邊緣態(tài)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件。<b>薛其坤團(tuán)隊(duì)的研究成果有望使這一期待變成現(xiàn)實(shí)</b>。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)持續(xù)攻關(guān)國(guó)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(xué)物理系、中國(guó)科學(xué)院物理研究所的四個(gè)研究組組成的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，同中國(guó)科學(xué)院物理研究所、美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究組組成的理論團(tuán)隊(duì)，<b>開(kāi)始向量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)發(fā)起沖擊。</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">在近四年的時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng)和測(cè)量了超過(guò)1000個(gè)樣品，一步步克服了重重障礙。團(tuán)隊(duì)利用分子束外延的方法生長(zhǎng)了高質(zhì)量的磁性摻雜拓?fù)浣^緣體薄膜，將其制備成輸運(yùn)器件并在極低溫環(huán)境下對(duì)其磁電阻和反常霍爾效應(yīng)進(jìn)行了精密測(cè)量。他們發(fā)現(xiàn)在一定的外加?xùn)艠O電壓范圍內(nèi)，此材料在零磁場(chǎng)中的反?；魻栯娮柽_(dá)到了量子霍爾效應(yīng)的特征值h/e2~ 25813歐姆。<b>這是世界范圍內(nèi)，首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。</b></p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block">圖6 ：量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的最終測(cè)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(xué)、加州大學(xué)、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)先后重復(fù)驗(yàn)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(xué)院編寫(xiě)的《2016年諾貝爾物理獎(jiǎng)科學(xué)背景介紹》中，將此發(fā)現(xiàn)列為拓?fù)湮镔|(zhì)領(lǐng)域代表性的實(shí)驗(yàn)突破，得到了最權(quán)威評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的高度認(rèn)可。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">薛其坤團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)零電導(dǎo)平臺(tái)的首次觀測(cè)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2017年，團(tuán)隊(duì)將量子反?；魻栃?yīng)觀測(cè)溫度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并首次實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)多層結(jié)構(gòu)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">2018年，團(tuán)隊(duì)與合作者首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一種內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體MnBi2Te4，開(kāi)啟了一個(gè)國(guó)際上新的熱點(diǎn)研究方向。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">如今，研究團(tuán)隊(duì)每天仍然花費(fèi)大量的時(shí)間在實(shí)驗(yàn)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(yīng)</b>。</p><p class="ql-block"><br></p> <p class="ql-block">圖7： 薛其坤院士在實(shí)驗(yàn)室</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">“獲得巴克利獎(jiǎng)，說(shuō)明我們中國(guó)的成果已經(jīng)得到了美國(guó)物理學(xué)界、世界物理學(xué)界的高度認(rèn)可，說(shuō)明我們這個(gè)成果經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，經(jīng)受住了科學(xué)的考驗(yàn)?！?lt;/p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">薛其坤院士說(shuō)，量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是在國(guó)家改革開(kāi)放40多年來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的積累之下，中國(guó)科學(xué)家在基礎(chǔ)研究上取得的重要成果。“</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放40多年，像我們這樣的成果的產(chǎn)生，不但反映了經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，同時(shí)反映了<b>我們的科學(xué)研究也逐漸進(jìn)入世界舞臺(tái)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(lái)，中國(guó)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(guó)家的科學(xué)研究也將以習(xí)近平總書(shū)記提出的“打造人類(lèi)命運(yùn)共同體”的理念為指引，為人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展、為人類(lèi)的科學(xué)進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p>