发现量子反常霍尔效应 中国能否再摘诺贝尔奖？

清华大学和中科院物理研究所近期在京宣布：由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学物理系和中科院物理研究所联合组成的实验团队最近在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中，首次观测到量子反常霍尔效应。

“这一成果预示着一个新时代的来临！对于基础物理学来说，观察到量子反常霍尔效应让研究新的量子系统成为可能。”英国牛津大学物理系讲师索斯藤·赫斯耶达尔所评价的是“中国科学家首次发现量子反常霍尔效应”。

解决电脑发热问题有了希望

说到量子反常霍尔效应，得先从量子霍尔效应说起。薛其坤举例说，电子在芯片里的运动基本上可以类比为高级跑车在集市中运动，它们在非常杂乱无章的环境下到处碰撞、改变方向，既走了弯路，又会造成发热，效率降低，这也是目前晶体管发热、电脑用久了发烫的重要原因之一。

“量子霍尔效应则可以对电子运动制定一个规则，让它们在各自跑道上前进，就好比一辆高级跑车，在量子霍尔效应下在高速路上前进。”薛其坤用一个形象的比喻进行解释。

然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，不但价格昂贵，而且体积庞大，不适合个人电脑和便携式计算机。

“量子反常霍尔效应不需要外加磁场，因此在应用方面比此前发现的量子霍尔效应要方便得多，可以推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展，解决电脑发热等问题。”薛其坤说。

“诺贝尔奖级”的科研成果

1980年德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应，1982年美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应，这两项成果分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。

物理学家认为，量子霍尔效应家族中也应该存在量子反常霍尔效应。但如何使其现身并在实验上观测到成为近些年物理学家探索的重要难题之一。

“此次成果是从中国的实验室里，第一次发表出了诺贝尔奖级的物理学论文，不仅是科学界的喜事，也是整个国家的喜事。”物理学家杨振宁在该成果的发布会上如是评价。

在团队成员教授张首晟看来，“量子反常霍尔效应或将带来信息技术的革命，我国科学家为国家争夺了这场革命中的战略制高点”。

为什么是中国科学家？

赢得如此高的赞誉，并不容易。

要在实验上实现反常霍尔效应的量子化需要拓扑绝缘体材料同时满足3项非常苛刻的条件，这对实验物理学家来讲是一个巨大的挑战。“这就如同要求一个人同时具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度和体操运动员的灵巧，其难度可想而知。”薛其坤说。

德国、日本、美国的科学家由于无法在材料中同时满足这3点而未取得最后的成功。

“为什么会是中国科学家先取得成功？”杨振宁在发布会上抛出了这样的问题。在他看来，“这与中国文化有关系。比如中国传统文化中的团队精神和勤奋等”。

说到勤奋，清华大学教授、中科院院士朱邦芬讲了一个小例子：“我有一次和薛其坤出差，飞机到北京已经快晚上12点了，他还要到实验室去看学生在做什么，有没有新发现。”

“该成果的获得是中国科学家长期积累、协同创新、集体攻关的一个成功典范。”在清华大学提供给记者的材料中的这个表述，也许可以回答杨振宁的提问。