穿墻而過、死活不定，這些都是只會存在于神話中的想象，但在微觀世界卻是真實存在的。微觀世界的運行由量子力學(xué)規(guī)律支配，會顯示完全不同于宏觀世界的現(xiàn)象。

能夠在宏觀尺度顯示量子力學(xué)效應(yīng)的量子材料現(xiàn)在是物理學(xué)、材料科學(xué)、電子學(xué)、量子信息等學(xué)科共同關(guān)注的焦點，而這正是清華大學(xué)薛其坤研究團隊的突破所在。在過去幾年里，薛其坤研究團隊在量子材料的研究中取得一系列國際領(lǐng)先的科研成果，尤其是量子反常霍爾效應(yīng)的首次實驗發(fā)現(xiàn)，是世界物理學(xué)界近年來最重要的實驗突破之一，引領(lǐng)了國際學(xué)術(shù)方向。

2019年開年之際，中科院院士薛其坤領(lǐng)導(dǎo)的清華大學(xué)、中科院物理所實驗團隊完成的“量子反常霍爾效應(yīng)的實驗發(fā)現(xiàn)”被授予2018年度國家自然科學(xué)獎一等獎。

在微觀世界里，在不需要強磁場的情況下，電子可在各自的跑道上按規(guī)則有序地、一往無前地奔跑，這是薛其坤對量子反常霍爾效應(yīng)的通俗解釋。正是他的團隊在實驗中最先觀測到這一現(xiàn)象。

“在那個世界里，粒子怎么可以穿過勢壘，電子為什么可以跳躍式地運動，這些奇妙的現(xiàn)象是偶然嗎?到底是什么原理呢?”薛其坤說，興趣和好奇心是支撐科學(xué)家在枯燥的實驗和科研中堅持下去的原動力。

2008年前后，華裔物理學(xué)家、斯坦福大學(xué)的張首晟教授等理論物理學(xué)家提出了用磁性拓?fù)浣^緣體實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的方案，從理論上提出這一材料實現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的可能性，但能否在實驗中發(fā)現(xiàn)它還是未知數(shù)。長期從事量子物理研究的薛其坤認(rèn)識到，這是一個非常值得在中國進行深入探究的領(lǐng)域。從那時起，他和團隊就展開了對拓?fù)浣^緣體中新奇量子效應(yīng)的實驗研究。

在凝聚態(tài)物理中，量子霍爾效應(yīng)占據(jù)著極其重要的地位。我們使用計算機的時候，會遇到計算機發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態(tài)下芯片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應(yīng)則可改變這一現(xiàn)象，它可以用于發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學(xué)器件，降低芯片的發(fā)熱和能量損耗問題，從而有可能推動信息技術(shù)的進步。

“然而，普通量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要用到非常強的磁場(通常需要的磁場強度是地磁場的幾萬甚至幾十萬倍)，應(yīng)用起來非常昂貴和困難。”團隊成員、清華大學(xué)教授何珂告訴記者，“量子反常霍爾效應(yīng)的最美妙之處是不需要任何外加磁場，因此，這項研究成果將會推動新一代低能耗晶體管和電子學(xué)器件的發(fā)展，可能加速推進信息技術(shù)革命的進程。”

項目的5位主要完成人，薛其坤、王亞愚、何珂、馬旭村、呂力都是相關(guān)領(lǐng)域頗有影響力的物理學(xué)家。“我們的團隊有很多杰出的物理學(xué)家，大家為了一個科學(xué)目標(biāo)走到一起，強強聯(lián)手、攻艱克難，這將是以后科學(xué)研究的一個趨勢。”薛其坤說。

長期以來，這個團隊的樣品制備人員和檢測人員都“無縫對接”，保持高效運轉(zhuǎn)。在量子反常霍爾效應(yīng)的實驗成功前，他們先后嘗試了1000多個拓?fù)浣^緣體樣品。

薛其坤認(rèn)為，對于他的研究團隊來說，發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)是下一程科學(xué)研究的開始，大家科學(xué)探索的道路從未停止。他表示，之前量子反常霍爾效應(yīng)是在接近零下273攝氏度中實現(xiàn)的，要想真正實現(xiàn)應(yīng)用，就需要把溫度往上升，所以現(xiàn)在團隊正在實驗?zāi)芊褡屃孔臃闯；魻栃?yīng)在溫度提高的情況下實現(xiàn)。