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2016未来科学大奖揭晓:请看花落谁家
作者:匿名    来源: 财新网    点击数:89    更新时间:2016-09-20 16:19:49    

 

 

2016年未来科学大奖-物质科学奖获奖者

  薛其坤

  享受科研的“7-11”教授

 

►丁洪、李凯、夏志宏与捐赠人徐小平、吴鹰、邓锋一起揭晓物质科学奖
►丁洪、李凯、夏志宏与捐赠人徐小平、吴鹰、邓锋一起揭晓物质科学奖

  2016年9月19日,清华大学教授薛其坤成为一个雄心勃勃、对标诺贝尔奖的中国民间科学大奖——“未来科学大奖”的首位“物质科学奖”得主。

 

  未来科学大奖评奖委员会轮值主席丁洪介绍说:薛其坤利用分子束外延技术,在对奇特量子现象的研究中取得了突破性的发现。分子束外延生长是一种先进的薄膜生长方法,能在材料衬底上一层一层地生长单晶薄膜。他和合作者制备了多种高质量的单晶薄膜材料,这使他们首次发现量子反常霍尔效应和在钛酸锶衬底上的单层铁硒高温超导现象。这两个发现被许多研究小组重复出来,并在全世界范围内激发出更多的相关研究活动,有望进一步提升量子反常霍尔效应和界面超导的临界温度,从而具有更大的实用价值。

  早在2013年,薛其坤就被称为“离诺贝尔奖最近的中科院院士”。那一年,他领衔清华大学物理系、中科院物理研究所和斯坦福大学的实验团队首次在实验中发现量子反常霍尔效应,该成果2013年3月14日在《科学》杂志在线发表。

  2013年4月9日,在清华大学举行的新闻发布会上,著名物理学家杨振宁教授发表讲话时表示:“这是从中国的实验室里头,第一次做出并发表出诺贝尔奖级的物理学论文。”

  随后在接受凤凰网采访时,杨振宁再次表示,“我相信所有在前沿物理学做研究99%的人都会同意这是诺贝尔奖级的工作。”

  饶有意味的是,杨振宁在这次采访中提到了自己的弟子张首晟(2008年首次提出二维拓扑绝缘体上可以实现量子反常霍尔效应的预言),并把薛其坤的实验发现消息与当年吴健雄所做宇称不守恒实验的故事联想在了一起——

  张首晟教授讲到2012年10月里有一天,当他听到这个实验(编者注:指薛其坤团队工作)成功的时候,是他一生难忘的一天,这个故事就使到我想起来很多年以前,1956年12月的有一天,那个时候吴健雄正在做宇称是否守恒的实验,她打电话给告诉我她已经发现宇称是不守恒的!这当时是惊人的消息,可她说我们的实验现在数据还不够,不能随便讲,所以你不可以告诉别人,我们再继续试一下,希望我们可以得到更多的数据。这个电话挂下来一个小时以后,我就接到一个朋友的电话,他说,弗兰克,你听说了没有。我说听说什么?他说是吴健雄已经发现了宇称不守恒了。我说真的?你听谁说的,他不肯告诉我。后来过了一个礼拜,吴健雄继续做出来了非常准确的试验,发现了震惊世界和物理学界的一个大新闻“宇称不守恒定律”。

  须知此前量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一,它是一种典型的宏观量子效应,是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现,相关研究多次斩获诺奖。

  1980年,德国科学家冯·克利青(Klaus von Klitzing)发现了“整数量子霍尔效应”,于1985年获得诺贝尔物理学奖。

  1982年,美籍华裔物理学家崔琦(Daniel CheeTsui)、美国物理学家施特默(Horst L. Stormer)等发现“分数量子霍尔效应”,美国物理学家劳弗林(Rober B. Laughlin)给出理论解释,三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。

  1988年,美国物理学家霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应,但是多年来科学家们一直没能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。

  量子霍尔效应是指强磁场下二维电子材料中出现的横向电导(电阻的倒数)量子化现象。它的另一个重要特征是纵向电阻消失:电子可以在材料的边缘上不发热地传导。也就是说,在强磁场下可以让电子有规律地运动,不损耗能量。

  而量子反常霍尔效应是指,不需要强磁场,也能使电子运动没有能量损耗。它是由极化电子代替外加磁场所产生的量子化的霍尔效应。由于极化电子模拟出的外加磁场比现有实验室可达到的最强外加磁场高一百倍,量子反常霍尔效应将来可能导致室温量子器件。虽然理论上人们认为这种效应完全可以存在,但真正实现量子反常霍尔效应在材料制备和原位测量上存在着巨大的挑战。

  世界上多个国家的顶尖科学家都在为此孜孜以求、苦苦寻找。薛其坤带领他的团队首次把分子束外延技术拓展到铁基超导材料的制备中,解决了材料制备的一个重要难题。在此基础上,他们发现了一类全新的低维高温超导体系——单层FeSe薄膜,其超导转变温度有超过77K(开氏温度=摄氏温度+273.15,绝对温度77K相当于-196.15摄氏度)的迹象,这一发现开辟了一种界面增强超导的新途径。从2008年到2013年,通过连续5年的研究,他们成功制备出了高质量的保护膜,观测到单层FeSe薄膜的零电阻和抗磁性现象。

  这是颠覆欧姆定律的奇异量子现象。按照人们熟知的欧姆定律,电流在传输的同时会产生热,其热量正比于电阻以及电流的平方。热的产生既有用,也可能有害,比如目前整个微电子产业都面临着发热的瓶颈问题。然而,在超导和量子霍尔效应这两个奇异的量子现象中,发热问题可以被完全避免,也就是说欧姆定律可以被完全违反。更让人兴奋的无疑是其显露出来可能对人类社会产生巨大的应用前景。因此,这两种量子现象的相关研究成为过去几十年里凝聚态物理的热点领域。迄今,超导领域中获得了五项诺贝尔奖,量子霍尔效应领域获得了两项诺贝尔奖。

  2012年10月,清华大学物理系薛其坤、张首晟、王亚愚、陈曦、贾金锋等组成的团队和中科院物理所何珂、吕力、马旭村、王立莉、方忠、戴希等组成的团队合作攻关,克服了薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关,利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,并用该薄膜制备场效应器件,在极低温和零磁场条件下观察到霍尔电阻达到了量子化的数值即h/e2约25.8千欧姆,标志着实验上首次实现量子反常霍尔效应。

  世界量子物理学将铭记这一刻。在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应132年后,中国科学家首次实现了其量子化。

  薛其坤曾这样形象地解释这些高深的物理知识:计算机芯片里电子的运动几乎是无规律的,把电子比喻成人的话,从晶体管的电极一端到达另一端的过程,就像人从乱糟糟的农贸市场的一端走到另一端,总会走弯路、碰到人,那么就会造成发热、效率不高,这是目前晶体管发热的一个重要原因之一。

  而量子霍尔效应就是一条高速路,有一定的规则,电子可以分车道分方向前进。但普通量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场,大概是地球地磁场的十万倍甚至上百万倍,要产生这样的磁场需要一个非常大的设备。薛其坤说,一般和冰箱那么大。

  但是你能想象计算机旁边配一个冰箱那么大的设备来产生磁场吗?所以量子霍尔效应成本非常昂贵,庞大的体积也不适用于便携式电子产品,显然很难得到应用。“量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场,因此这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子元器件的发展,可能加速推进信息技术革命进程。”薛其坤说。

  此后日本东京大学、美国加州大学洛杉矶分校、麻省理工学院和斯坦福大学等4所国际著名高校的研究团队,相继复现了这一实验结果,进一步证明了实验的可靠性。而且激发出更多的相关研究活动,有望进一步提升量子反常霍尔效应和界面超导的临界温度,从而具有更大的实用价值。

  薛其坤小传

  1963年生于山东临沂,本科就读于山东大学光学系,大学毕业薛其坤报考了哈尔滨工业大学的研究生,然而他的高等数学只考了39分。考研失败的他去了曲阜师范大学工作,第二年他报考了中科院物理研究所,这次普通物理考了39分,三年后又来考研,终于在第三次如愿考取了中科院物理所的研究生。读研期间,有位日本教授来做访问,导师让他接待,由于这次邂逅,他成功地抓住了去日本做联合培养博士生的机会。

  1992年6月,薛其坤进入日本东北大学金属材料研究所学习。凭着“吃苦异于常人”,薛其坤克服了语言、压力、体力各方面的困难,坚持了下来。其在日本的导师樱井教授要求全体工作人员一周工作6天,不管刮风下雨,都必须早7点到达实验室,而大家一般在晚11点后离开,因此被称为“Seven-Eleven”实验室。一年后,薛其坤逐渐养成了“7-11”式工作习惯,也体会到“非常勤奋”与“一般勤奋”状态下工作效率的巨大差别。这样的作息时间,迄今薛其坤已经坚持了20多年,如今的清华园里,他为学生熟知的称号就是——“7-11”教授。

  1994年他获中科院物理所理学博士学位。1996年6月,导师樱井教授介绍薛其坤到自己早年在美国贝尔实验室工作时的好友、美国北卡罗来那州立大学D.E.Aspnes门下做博士后。同年,薛其坤被邀请在物理学规模最大的美国物理学会年会上做报告,开始在国际物理界崭露头角。1998年,薛其坤入选中科院“百人计划”,第二年他携家人回国工作,开始在中科院物理所工作。

  2005年,42岁的薛其坤进入清华大学物理系任教育部长江计划特聘教授,同年11月被增选中国科学院院士。2013年5月起任清华大学副校长(分管科研)。

  从清华原子分子纳米科学教育部重点实验室到2011年清华大学第一个理科方面的国家重点实验室——低维量子物理国家重点实验室的建立,再到2013年薛其坤带领的研究团队发现量子反常霍尔效应,薛其坤一直坚持自己的研究方向。他的研究成果先后两次被评为中国科学十大进展、3次入选中国高校十大科技进展。他本人于2004年和2011年两度获得国家自然科学二等奖,于2011年获得“求是”杰出科技成就集体奖,于2012年获得陈嘉庚数理科学奖。他还获得了2010年的发展中国家科学院物理奖,该奖是我国物理学家在国际上获得的最高荣誉之一。

  代表论文

  [1] Cui-Zu Chang, Jinsong Zhang, Xiao Feng, Jie Shen, Zuocheng Zhang, Minghua Guo, Kang Li, Yunbo Ou, Pang Wei, Li-Li Wang, Zhong-Qing Ji, Yang Feng, Shuaihua Ji, Xi Chen, Jinfeng Jia, Xi Dai, Zhong Fang, Shou-Cheng Zhang, Ke He, Yayu Wang, Li Lu, Xu-Cun Ma, Qi-Kun Xue, Experimental Observation of the Quantum Anomalous Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator, Science 340, 167 (2013).

  [2] WANG Qing-Yan (王庆艳), LI Zhi (李志), ZHANG Wen-Hao (张文号), ZHANG Zuo-Cheng (张祚成), ZHANG Jin-Song (张金松), LI Wei (李渭), DING Hao (丁浩), OU Yun-Bo (欧云波), DENG Peng (邓鹏), CHANG Kai (常凯), WEN Jing (文竞), SONG Can-Li (宋灿立), HE Ke (何珂), JIA Jin-Feng (贾金锋), JI Shuai-Hua (季帅华), WANG Ya-Yu (王亚愚), WANG Li-Li (王立莉), CHEN Xi (陈曦), MA Xu-Cun (马旭村), XUE Qi-Kun (薛其坤), Interface Induced High-Temperature Superconductivity in Single Unit-Cell FeSe Films on SrTiO3, Chinese Physics Letters 29, 037402 (2012).