国家天然科学奖一等奖 薛其坤和他的“量子失常
来源:推介会网 发表于2019-07-09 18:18:13 编辑:任达华
摘要: 特约记者 林爻大 点击看视频:没有赛道的长间隔跑:薛其坤和他的 量子失常霍尔效应梦之队 1月8日上午,公民大会堂。清华大学副校长、物理系薛其坤院

 

国家天然科学奖一等奖 薛其坤和他的“量子失常霍尔效应梦之队”

 

国家天然科学奖一等奖 薛其坤和他的“量子失常霍尔效应梦之队”

 

国家天然科学奖一等奖 薛其坤和他的“量子失常霍尔效应梦之队”

特约记者 林爻大

点击看视频:没有赛道的长间隔跑:薛其坤和他的 量子失常霍尔效应梦之队

1月8日上午,公民大会堂。清华大学副校长、物理系薛其坤院士走上主席台,接过了国家自然科学一等奖的获奖证书。获奖项目的名称是 量子失常霍尔效应的试验发现 ,而此刻,间隔2019年他所领导的团队初次发现量子失常霍尔效应并将效果发布在《科学》(Science)杂志上,现已曩昔近6年的时刻。10多年来,他们的科研生计与量子失常霍尔效应结下了不解之缘。

薛其坤与团队成员

缘起

25813欧姆,是量子失常霍尔效应完结的标志。在零磁场下,当霍尔电阻跳变到约25813欧姆的量子电阻渠道时,这种量子现象就称为量子失常霍尔效应。130多年前,美国物理学家霍尔先后发现霍尔效应和失常霍尔效应,现在汽车里的许多传感器都根据霍尔效应。量子霍尔效应在凝集态物理中占有着极其重要的位置,整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的试验发现别离于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。量子失常霍尔效应由于其存在不需求外加磁场,因而比此前发现的量子霍尔效应在使用方面要便利得多,从试验上完结量子失常霍尔效应,成为凝集态物理学家重视的焦点和科学难题。

打破的要害呈现于2006年,美国斯坦福大学教授、清华大学高级研讨院特聘教授张首晟领导的团队成功地预言了一类叫拓扑绝缘体的资料,并在2008年与清华大学、中科院物理所的协作伙伴们一同提出了在拓扑绝缘体中引进磁性将有或许完结量子失常霍尔效应的理论。

凝集态物理和资料科学一向是薛其坤的研讨范畴。拓扑绝缘体是一种奇特的资料,它的奇特之处在于内部绝缘,外表却可以导电。2008年10月15日,薛其坤在课题组例行组会上听到博士生李耀义在文献沟通时介绍了拓扑绝缘体的概念以及相关研讨效果。与学生们进一步评论后,薛其坤决议开端拓扑绝缘体研讨,决议通过试验来验证假说。

虽然前期咱们现已树立了很好的根底,但量子失常霍尔效应的试验条件十分严苛,完结十分困难。 研讨团队成员、清华大学物理系何珂教授介绍,量子失常霍尔效应可以呈现的资料需求一起满意三个条件:资料的电子结构有必要具有一起的拓扑特性;资料有必要具有长程铁磁序;资料的体内有必要为绝缘态然后对导电没有任何奉献。

完结条件严苛,但其未来使用的潜力却很大。研讨团队介绍,量子失常霍尔效应在低能耗的电子元器件使用范畴或许发挥重要作用。现在如二极管、导线等电子元器件由于通电流、发热,一部分电阻消耗的能量会转化为热量,但在呈现量子失常霍尔效应的资猜中,电子可以像地铁相同沿着一条通道运动,不会发热和损耗能量。

量子失常霍尔效应试验中,研讨团队分红两组,一组专门担任成长出契合试验条件的样品,另一组担任丈量样品的性质和物理效应。高质量的资料是完结量子失常霍尔效应的要害,薛其坤亲身担任样品成长的总担任,并组织马旭村教授和何珂教授带领几位研讨生详细进行,丈量作业则由物理系王亚愚教授担任。

其时没有想过能不能成功,就想要试一试。 那时,马旭村研讨组的何珂才刚刚回国参加作业,王亚愚的输运试验室也刚刚树立调试结束,两个年轻人就在振奋、忐忑以及对未来的神往中开端了试验。

?

拓扑绝缘体薄膜的原子级精度制备、表征和调控

?窘迫

理论物理学家预言的一个假说,往往需求试验物理学家长时刻的试验去验证。 王亚愚说。在研讨团队的眼里,发现量子失常霍尔效应的进程是一个遇到困难,不断克服困难的 晋级打怪 的进程。

团队的试验室好像一个科幻世界,杂乱的管线衔接银白色锡纸裹着的不锈钢腔体,就在这些金属腔体中,原子飞翔、凝集、渐渐构成具有特别性质的物质。这些仪器被称为分子束外延,内部处于挨近月球外表的超高真空状况。进入试验室的人需求十分当心,防止碰到作业中的仪器,不然有或许会让他们几天的作业前功尽弃。

试验得十分慎重。 本科结业后挑选直博的冯硝进试验室后学了一年操作, 由于仪器很杂乱 ,冯硝说,仪器上的一个小配件碰坏了,都有或许导致整个仪器瘫痪,假如损坏的零配件自己无法修正,在国内又无法买到,就需求消耗几个月时刻从国外进货。

冯硝其时和师兄常翠祖跟从何珂担任拓扑绝缘体资料的成长。在拓扑绝缘体研讨初期,薛其坤就敏锐意识到,拓扑绝缘体资料的成长动力学与自己长时刻从事的砷化镓研讨相似。所以,他依照成长砷化镓的办法,组织现在现已调到上海交通大学的贾金锋详细带领研讨生研讨、树立拓扑绝缘体资料的成长动力学。

资料的成长动力学描绘的是一个个原子反应后构成一个微观晶体的进程。把握了资料的成长动力学,才干准确操控资料成长。从1992年攻读博士学位起,薛其坤就一向从事薄膜成长动力学的体系研讨,累积了20余年的阅历。他曾因相关的研讨两次获得国家自然科学二等奖。

在薛其坤的指导下,贾金锋带领李耀义等研讨生们仅用三四个月的时刻,就在世界上首先树立了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延成长动力学,完结了对样品成长进程在原子水平上的准确操控,薄膜样品的质量到达了世界领先水平。 这是要害的一步,迈出了这一步,后边的作业才干顺畅打开。可以说便是从树立起这类资料的成长动力学的这一天起,咱们就奠定了在这项研讨中的领先位置。 薛其坤着重。随后,他又布置陈曦带领张童、程鹏等研讨了拓扑绝缘体薄膜的若干量子特性,效果与理论契合的出奇好,这进一步增强了他们团队的决心。

尔后两年多,在常翠祖、张金松、冯硝等的尽力下,研讨不断获得阶段性发展:

2019年,完结对1纳米到6纳米(头发丝粗细的万分之一)厚度薄膜的成长和输运丈量,得到体系的效果,然后使准二维拓扑绝缘体的制备和输运丈量成为或许;

2019年,完结对拓扑绝缘体能带结构的精细调控,使其成为实在的绝缘体,去除了体内电子对输运性质的影响;

2019年末,在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中完结了自发长程铁磁性,并使用外加栅极电压对其电子结构进行原位精细调控。

但尔后,研讨作业陷入了停滞不前的状况……

从理论来看,其时咱们能想到的一切问题好像都处理了,可是试验效果离终究的成功还十分悠远。 回忆起2019年头最困难的韶光,何珂说,那段时刻咱们都很焦虑,压力很大, 由于研讨时刻比较长,付出了许多尽力,十分忧虑研讨就此停滞不前 。

后来发现即便满意了量子失常霍尔效应发作资料的三个条件,但资料的各个参数需求在奇妙的平衡下,才有或许呈现量子失常霍尔效应。 冯硝解说,试验有许多参数,不同参数间排列组合会发生许多或许,终究就沉溺于这些或许性的探究中,甚至当试验效果不符预期时,也很难判别究竟是哪些地方存在问题。

科学发现可以是偶尔的,可是为科学发现作出预备是必定的。 薛其坤看到了这一切,把咱们招集在一同,一番热情洋溢的讲话后,一位博士生描绘自己 浑身发热 、干劲十足。薛其坤心里十分笃定,要想完结科学规则的发现,那就得在谨慎、重复的根底上尽力。

试验成功后参加项目的首要研讨人员的合影

打破

打破来历于一次偶尔的测验。

以往的试验中,研讨团队忧虑几纳米厚的拓扑绝缘体资料被损坏,所以会设置一个衬底和一个保护层,并不断优化。 优化完衬底后就有一个显着进步,但后来又到了渠道期。 感觉自己无路可走的冯硝决议反其道而行之,看看去除资料保护层会怎样,没想到这样反而获得了显现量子失常霍尔效应痕迹的样品。

2019年10月12日,周五黄昏,咱们的邮箱里收到了团队成员郭明华发来的刚丈量好的数据。这个样品的霍尔电阻到达了17000欧姆邻近,而纵向电阻呈现了小小的下降。这小小的下降很有或许便是量子失常霍尔效应边际态的奉献。常翠祖注意到这一点,向薛教师发信息汇报了状况。

之所以说仅仅痕迹,是由于其时的试验效果并未到达25813欧姆的规范。 但这对试验来讲现已是一个严重打破,之前从来没有过相似的发现。 王亚愚解说道。

其时心里很忐忑,这是不是真的? 冯硝说, 咱们都是压着那种振奋,当心翼翼地想必定要重复出来,证明它是真的。

薛其坤描绘自己其时的心情是振奋和忧虑交错, 全世界许多顶尖试验室都在霸占这个试验,咱们不知道谁在做,也不知道他们什么时分能做出来 。但很快,他就冷静下来, 这些年咱们的尽力奋斗必定会有报答,天道酬勤。

在接下来的一个半月他们在严重焦灼中一起奋战,进一步进步样品质量,并与物理所吕力研讨组的通力协作,对样品进行了30毫开温度下的极低温输运丈量,总算在12月6号观测到了完美的量子化渠道 量子失常霍尔效应被发现了!在那天,薛其坤特意带了两瓶香槟酒和团队成员庆祝。

2019年3月,效果顺畅宣布在《科学》杂志上。诺贝尔物理学奖得主杨振宁先生振奋地表明: 这是第一次从我国试验室里宣布的诺贝尔奖级的物理学论文。 尔后,媒体的密布报导让社会在短时刻内了解到 不明觉厉 的量子失常霍尔效应,薛其坤的姓名也被越来越多的人知晓。

薛其坤屡次着重,这次的成功是几个优异试验团队严密高效协作的一个效果,一起也是试验团队与理论团队严密协作的效果。在探究量子失常霍尔效应的进程中,除了前面说到的张首晟,他们与中科院物理所的方忠、戴希,与清华大学的朱邦芬、段文晖等理论物理学家都有过许多有利的评论和协作。正像杨振宁先生所指出的,这个成功与咱们中华传统的人文联系有亲近的联系。

?

量子失常霍尔效应的试验发现的终究丈量样品和数据

收成

在量子失常霍尔效应试验效果刚发现的时分,世界上呈现了一些质疑的声响。 但咱们是很有自傲的,咱们是 专业 物理学家,有深沉的堆集和过硬的试验技能,学生也都通过谨慎的练习,所以咱们的每一个数据都是可重复的。 薛其坤说。

2019年至2019年,东京大学、加州大学、麻省理工学院、普林斯顿大学先后重复验证这一发现,不同范畴的威望学者们均将这一发现作为学术引证,在瑞典皇家科学院编写的《2019年诺贝尔物理奖科学布景介绍》中,将此发现列为拓扑物质范畴代表性的试验打破,得到了最威望点评组织的高度认可。

各项荣誉接连不断:薛其坤在2019年荣获求是出色科学家奖、何梁何利科学与技能成就奖,2019年获首届 未来科学大奖 。2019年还获得世界上的一个纳米科学成就奖,前面八届的获奖者包含诺贝尔物理奖获得者Albert Fert、碳纳米管的发现者饭岛澄男等闻名科学家。团队成员马旭村获我国青年女科学家奖,王亚愚获我国物理学会 黄昆物理奖 ,何珂获日本 仁科芳雄亚洲奖 ……

在团队阅历了专业、谨慎、务实的学术练习和风格熏陶的学生们,也得到广泛的认可:常翠祖在2019年到美国麻省理工学院从事博士后研讨,现在美国宾夕法尼亚州立大学物理学院任助理教授,并在2019年获得了美国斯隆研讨奖;张金松和冯硝结业后赴美国斯坦福大学进行博士后研讨,现在别离在清华大学物理系和清华大学-北京市未来芯片技能高精尖立异中心作业,他们两个均当选了国家青年千人方案。

研讨进程予以了他们许多回馈,但实在予以自己收成的仍是他们自己。在许多人眼中,薛其坤是 常识改变命运 的代名词,出世成善于山东沂蒙山区革命根据地,为到北京读研讨生阅历两次失利,却凭仗从上午7点到晚上11点泡在试验室的日子形式和谨慎的风格霸占了一个个物理难题。

冯硝也说,自己不算是聪明人,也曾面对过纠结,终究决议从事物理研讨是由于 我抱有决心,我所看到的便是实在的东西 。而决议从事物理的那一天,这个出世于黑龙江一个小农场的女孩儿并没能想到自己能参加到一个严重发现中。?

薛其坤在试验室

再动身

Now this is not the end. It is not even the beginning of the end. But it is, perhaps, the end of the beginning. (获得胜利不是进程的完结,甚至连完结的开端都不是。相反,它很或许一个新起点的开端)王亚愚引证了丘吉尔的这番话来描绘他们的研讨进程。量子失常霍尔效应的发现,于他们的研讨而言,仅是一个开端,还有更高的山峰等着他们攀爬。

薛其坤说,科学家的研讨是为了树立原理和办法,为了今后研讨愈加老练,为了和工业工业结合。因而,怎么下降量子失常霍尔效应完结的严苛条件要求,成为研讨团队正在攀爬的山峰。

几年来,这支部队一路攀爬,一路收成。2019年,团队完结量子失常霍尔效应零电导渠道的初次观测;2019、2019年和2019年,团队在磁性掺杂拓扑绝缘体的磁性和输运性质的调控方面获得屡次打破……

2019年,团队又完结两个重要发展 大幅进步了量子失常霍尔效应观测温度,初次完结量子失常霍尔效应多层结构。

何珂说,现在完结量子失常霍尔效应的温度极低,这不只阻止了进一步研讨,也让其走向实践使用带来应战。 本来的温度是比绝对零度高0.03度,现在是比绝对零度高0.3度,温度进步了10倍 。

而量子失常霍尔效应多层结构是指,把完结量子失常霍尔效应的一层薄膜,像搭砖块儿相同 垒砌 起来。王亚愚解说说,这就像曾经只要一条电子工作的高速公路,现在要建造立交桥,然后增强资料的导电才能。

这个听起来很简单,但试验上有相当大的难度。 何珂介绍,这一项目对技能的要求十分高,完结一个量子失常霍尔效应层现已十分困难了,构成一个多层结构,一起各层之间还能不受互相搅扰地正常工作就难上加难。 虽然很难,但这为探究更多别致的拓扑量子物态打下一个十分好的根底。 何珂说。

现在,研讨团队每天依然花费很多的时刻在试验室中,不断去成长样品、测验,他们都等待可以发现更多风趣的量子物态和量子效应。

薛其坤说,量子失常霍尔效应的试验发现是国家改革开放40年来,在国民经济发展和社会进步的大力支持下,我国科学家冲击世界科学技能难题的重要的比如。 改革开放为咱们我国科学走向世界奠定了十分好的根底,给我国科学家造就了一个前所未有的黄金时代。 他呼吁,我国人要有学术自傲,要勇于去应战严重科学难题。处理严重科学难题,处理核心技能难题,是科技作业者报效祖国、报答公民最好的答卷,也是我国科学实在走向世界中心的要害标志。

从叶企孙先生第一次完结对普朗克常数的测定,到发现量子失常霍尔效应,现已曩昔近百年的时刻。百年间,改变的是一日千里的科技水平,不变的,是科学家们追崇始终不变的 初心 ,这就像量子失常霍尔效应与普朗克常数永恒不变的线性联系那样。

物格然后知至,知至然后意诚,意诚然后心正,心正然后身修,身修然后家齐,家齐然后国治,国治然后全国平。 2019年5月,薛其坤作为嘉宾登上《朗读者》的舞台,而且朗读了《大学》。 我要把它献给许多为我国物理奠基的叶企孙先生和诸位长辈们。 薛其坤说。

试验室墙壁上的海报写着爱因斯坦的名言: Knowledge is limited. Imagination encircles the world.

来历: 清华大学 大众号

(1月8日电)

排行榜单
投稿邮箱:
相关推荐
校领导到图书馆调研座谈
校领导到图书馆调研座谈

12月12日,北京大学党委书记朱善璐来到图书馆展开调研与座谈,伴随前来的有

排行榜单16小时前

典雅艺术走进学校 中国人民大学姑苏校区中法教
典雅艺术走进学校 中国人民大学姑苏校区中法教

4月15日晚,由我国人民大学姑苏校区、越剧博物馆、浙江省嵊州市越剧团联合主

排行榜单2019-07-09 06:59:23

北大举行06暑期社会实践动员会 共有177支团队申
北大举行06暑期社会实践动员会 共有177支团队申

日前,北京大学2006年暑期社会实践领队动员大会在光华102教室顺畅举行。会上

排行榜单2019-07-08 14:58:39

劳动人事学院举办2019春季学期暨第三届校友足球
劳动人事学院举办2019春季学期暨第三届校友足球

4月23日下午,劳动人事学院2019春季学期暨第三届校友足球友谊赛在世纪馆大操

排行榜单2019-07-07 23:44:38

张云雷为“嘲弄汶川地震”抱歉,他的抱歉信透
张云雷为“嘲弄汶川地震”抱歉,他的抱歉信透

���������׵�һ������Ƶ���dz����ˣ�������ij�

排行榜单2019-07-07 12:12:22

【#女警自动请缨引色狼出洞# 被拖拽数米多处挂
【#女警自动请缨引色狼出洞# 被拖拽数米多处挂

�� #Ů���Զ���ӧ��ɫ�dz���# MM_dd ������-����ȫ��

排行榜单2019-07-07 12:12:03

商务部:自贸试验区新一批变革试点经验将当令
商务部:自贸试验区新一批变革试点经验将当令

新华社北京4月11日电记者11日从商务部得悉,现在我国自贸试验区新一批变革试

排行榜单2019-07-06 22:55:57

女子刷抖音被“老公”骗走10多万 一嫌疑人在南
女子刷抖音被“老公”骗走10多万 一嫌疑人在南

闽南网6月27日讯6月25日,来自南安的黄某因涉嫌欺诈罪被移送江苏江阴警方进一

排行榜单2019-07-05 18:29:40

埃尔多安称土耳其购买俄制S
埃尔多安称土耳其购买俄制S

新华社安卡拉5月19日电土耳其总统埃尔多安18日晚间说,土耳其购买俄罗斯S-4

排行榜单2019-07-04 08:59:30

黎巴嫩总统着重冲击恐怖主义是长时间使命
黎巴嫩总统着重冲击恐怖主义是长时间使命

新华社贝鲁特6月4日电黎巴嫩总统米歇尔奥恩4日说,冲击恐怖主义是长时间使命

排行榜单2019-07-03 21:52:47