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中科院物理所梅开三度,献礼改革开放四十年——“量子反常霍尔效应的实验发现”荣获国家自然科学一等奖

更新时间:2019年01月08日     编辑:小A     来源:今日头条| 浏览量:140
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中科院物理所梅开三度,献礼改革开放四十年——“量子反常霍尔效应的实验发现”荣获国家自然科学一等奖.

中科院物理所梅开三度,献礼改革开放四十年——“量子反常霍尔效应的实验发现”荣获国家自然科学一等奖

1 月 8 日,中共中央、国务院在北京人民大会堂隆重举行国家科学技术奖励大会,对为我国科学技术进步、经济社会发展、国防现代化建设作出突出贡献的科学技术人员和组织给予奖励。中国科学院物理研究所和清华大学研究团队凭借“量子反常霍尔效应的实验发现”荣获 2018 年度国家自然科学一等奖,项目五位完成人代表中薛其坤院士、何珂教授、马旭村教授、吕力研究员等四位长期在中科院物理所学习和工作。该成果是我国科学家团队联合攻关,经过数年的不懈探索和艰苦攻关,取得的重大基础前沿突破,也是继“液氮温区氧化物超导体的发现”获 1989 年国家自然科学一等奖和“40K 以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”获 2013 年国家自然科学一等奖之后,物理所研究团队第三次荣获国家自然科学一等奖。

微观世界的运行由量子力学规律支配,会显示完全不同于宏观世界的现象。能够在宏观尺度显示量子力学效应的量子材料现在是物理学、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。中国科学院物理研究所和清华大学的研究团队在过去几年量子材料的研究中取得了一系列国际领先的科研成果,尤其是量子反常霍尔效应的首次实验发现,是世界物理学界近几年的最重要的实验进展之一,引领了国际学术方向。

中科院物理所梅开三度,献礼改革开放四十年——“量子反常霍尔效应的实验发现”荣获国家自然科学一等奖

霍尔效应家族及其发现时间

霍尔效应是一种常见的电磁现象,广泛应用于磁传感器和半导体工业。1980 年德国科学家冯・克利青发现的整数量子霍尔效应以及 1982 年美国科学家崔琦和施特默发现的分数量子霍尔效应向人们揭示出一种新的物质态:拓扑量子物态。拓扑量子物态就可能显示出可在宏观尺度存在的新奇量子效应。关于量子霍尔效应和拓扑物态的一系列发现和研究先后在 1985 年、1998 年、2016 年获得诺贝尔物理奖,成为物理学最近几十年最受关注的研究领域之一。量子反常霍尔效应是又一个全新的量子化的霍尔效应。由于其不需要外加磁场,是量子霍尔效应家族中最接近应用的。

在实验上在真实材料中发现量子反常霍尔效应,长期以来一直是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,包括诺贝尔物理学奖获得者霍尔丹提出的霍尔丹模型、中科院物理所和斯坦福大学研究团队提出的磁性拓扑绝缘体材料等,然而在实验上没有取得任何重要进展。因为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: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同时满足这三点而未取得最后的成功。

中科院物理所梅开三度,献礼改革开放四十年——“量子反常霍尔效应的实验发现”荣获国家自然科学一等奖

量子反常霍尔效应示意图

长期以来薛其坤团队结合分子束外延生长、极低温强磁场扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱技术,在表面、界面、低维物理学领域做出了国际一流的工作。2008 年,薛其坤研究团队抓住拓扑绝缘体这个新领域兴起的契机,在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的生长动力学机制,利用分子束外延生长出国际最高质量的样品。所提出的生长方法现已成为国际上通用的拓扑绝缘体样品制备方法。在此基础上,他们利用扫描隧道显微镜揭示出拓扑绝缘体表面态的拓扑保护性和朗道量子化等独特性质。该研究团队与国内相关科学家的努力使得中国在拓扑绝缘体领域研究中处于国际领先行列。从 2009 年起,薛其坤领导的实验研究团队与清华大学、中科院物理所、斯坦福大学的研究者合作,在相关理论工作的基础上,对量子反常霍尔效应的实验实现进行攻关。他们生长测量了超过 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。最终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~ 25813 欧姆。关于此项研究成果的论文投向美国《科学》(Science)杂志,很快被接受发表。

量子霍尔效应可以用于发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件,克服芯片的发热和能量损耗问题,从而有可能推动信息技术的进步。然而,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),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。

中科院物理所梅开三度,献礼改革开放四十年——“量子反常霍尔效应的实验发现”荣获国家自然科学一等奖

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