我科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)

    清華大學(xué)和中國科學(xué)院物理研究所今天（4月10日）在北京聯(lián)合宣布：由雙方聯(lián)合組成的實驗團(tuán)隊在量子反?；魻栃?yīng)研究中取得重大突破，在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體薄膜中，首次觀測到量子反?；魻栃?yīng)。相關(guān)論文已于近日在《科學(xué)》雜志發(fā)表。今天，有關(guān)專家首次披露了研究與合作的細(xì)節(jié)，而諾貝爾獎獲得者楊振寧也高度評價了這一成果。

        霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)是130多年前由美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。1980年和1982年，德、美科學(xué)家先后發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，并分別獲得諾貝爾物理獎。領(lǐng)銜實驗的清華大學(xué)薛其坤院士說：“物理學(xué)家們認(rèn)為量子霍爾效應(yīng)家族中也應(yīng)該存在量子反?；魻栃?yīng)。但如何使其現(xiàn)身并在實驗上觀測到它，成為近些年凝聚態(tài)物理學(xué)家探索的難題之一。”

        據(jù)介紹，2006年，美國斯坦福大學(xué)/清華大學(xué)張首晟教授領(lǐng)導(dǎo)的理論組成功地預(yù)言了二維拓?fù)浣^緣體中的量子自旋霍爾效應(yīng)，并于2008年提出了在拓?fù)浣^緣體中引入磁性實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的可能性。2010年，中科院物理所方忠、戴希研究員等與張首晟教授合作，預(yù)言了Cr或Fe摻雜的Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3族三維拓?fù)浣^緣體薄膜是實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的最佳體系。薛其坤說，要在實驗上實現(xiàn)反常霍爾效應(yīng)的量子化，需要拓?fù)浣^緣體材料同時滿足三項非?？量痰臈l件：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)；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反?；魻栃?yīng)；材料的體內(nèi)必須為絕緣態(tài)從而對導(dǎo)電沒有任何貢獻(xiàn)。在實際材料中，實現(xiàn)以上任何一點都具有相當(dāng)大的難度，而要同時滿足這三點對實驗物理學(xué)家來講更是一個巨大的挑戰(zhàn)，德國、日本、美國的科學(xué)家由于無法在材料中同時滿足這三點而未取得最后的成功。

        清華大學(xué)和中科院物理研究所的研究人員，密切合作，協(xié)同創(chuàng)新，從2009年開始向量子反常霍爾效應(yīng)的實驗發(fā)起沖擊。4年來，團(tuán)隊生長和測量了超過1000個樣品，克服了重重障礙，一步步實現(xiàn)了對磁性摻雜拓?fù)浣^緣體高質(zhì)量薄膜的生長、表面電子態(tài)的觀測、特別是對其電子結(jié)構(gòu)、磁有序態(tài)和能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精密調(diào)控，終于在2012年10月觀測到了量子反?；魻栃?yīng)，也證實了此前中科院物理研究所與斯坦福大學(xué)理論團(tuán)隊的預(yù)言。

        專家指出，量子反?；魻栃?yīng)之所以備受國際科技界重視，一個重要原因是它可能在未來電子器件中發(fā)揮特殊的作用，可以用于制備低能耗的高速電子器件。假如能把量子霍爾效應(yīng)引入計算機(jī)芯片，將會克服電腦的發(fā)熱和能量耗散問題。但這還有很長的路要走。

        諾貝爾獎獲得者楊振寧參加了今天的新聞發(fā)布會。他說，發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)這篇論文，是從中國實驗室做出的、具有諾貝爾獎級的物理學(xué)的論文。“這不只是清華大學(xué)和中科院的喜事兒，也是整個國家發(fā)展的大喜事兒。”