量子反常霍爾效應的實驗發現

“量子反常霍爾效應的實驗發現”榮獲2018年度國家自然科學一等獎 ^[1]  。這一獎項意味着在過去幾年裏，薛其坤研究團隊在量子材料的研究中取得一系列國際領先的科研成果，獲得了學界的高度肯定 ^[2]  。

時間回溯到2013年，正是這項研究的一個關鍵的節點。3月15日《科學》雜誌發表文章，宣佈由薛其坤院士領銜的清華大學物理系和中科院物理所聯合組成的實驗團隊，從實驗上首次發現量子反常霍爾效應，這意味着量子霍爾效應物理領域一個期待已久的重要現象已經被中國科學家率先觀測到。

“量子反常霍爾效應”，這是一個大多數人聽不懂的名詞。然而，它卻讓微觀世界的奇妙現象轉換到宏觀世界中成為可能。在微觀世界裏，在不需要強磁場的情況下，電子可在各自的跑道上按規則有序地、一往無前地奔跑，如果這些現象能在宏觀世界得到實現，那麼存在於我們神話傳説中的穿牆而過、永動不停或將成為可能。

2008年前後，華裔物理學家、斯坦福大學的張首晟教授等理論物理學家提出了用磁性拓撲絕緣體實現量子反常霍爾效應的方案，從理論上提出這一材料實現量子反常霍爾效應的可能性，但能否在實驗中發現它還是未知數。作為長期從事量子物理研究的科學家，薛其坤認識到，這是一個非常值得在中國進行深入探究的領域。從那時起，他和團隊就展開了對拓撲絕緣體中新奇量子效應的實驗研究。

從2009年起，薛其坤院士領導的實驗研究團隊與清華大學、中科院物理所、斯坦福大學的研究者合作，對量子反常霍爾效應的實驗實現進行攻關。他們試驗了1000多個樣品，一步步克服了重重障礙，終於找到一種叫做“磁性拓撲絕緣體薄膜”的特殊材料，並從實驗中觀測到“量子反常霍爾效應”。