中国科学院院士、著名实验物理学家薛其坤率领其实验团队2012年在国际上首次发现量子反常霍尔效应。

薛其坤、关欣 拍摄

那张鲜红的奖状格外醒目，薛其坤捧在胸前，激动不已：“很激动，很激动留学英语，很荣幸！”

这是一年一度的国家科学技术奖励大会的现场。

凭借量子反常霍尔效应的实验发现，清华大学副校长、中科院院士薛其坤带领团队荣获2018年度唯一的国家自然科学奖一等奖。这一来自中国实验室的重大成果是30多年来世界凝聚态物理领域最重要的实验发现之一，被杨振宁誉为“诺贝尔奖级”科研成果。薛其坤也因此被称为“最接近诺贝尔奖的院士”。

当薛其坤从习近平总书记手中接过证书时，他回想起了7年前团队成员在遇到瓶颈时忙碌的身影，经过上千个样本、无数次重复，他们终于捕捉到了量子世界的微光，迎来了“见证奇迹”的时刻。

一个非常有希望的预测

量子反常霍尔效应，八个字，读起来却相当拗口。在薛其坤团队于2013年春天宣布世界上首次实验发现这一现象之前，中国公众对这个物理学界的热门词汇还相当陌生。

要理解这个概念，首先要说说“霍尔效应家族”。1879年，美国物理学家霍尔发现了霍尔效应学英语听力 薛其坤：捕捉到显微镜下看不见的微弱光线获国家级奖项，它定义了磁场和感应电压之间的关系。当电流通过磁场中的导体时，磁场会对导体中的电子施加一个垂直于电子运动方向的力，从而在垂直于导体和磁通线的两个方向上产生电位差。汽车上的很多传感器都与此有关。

两年后，该学者发现了反常霍尔效应，即在无外磁场作用下，磁导体上也能观察到霍尔效应。整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的实验分别获得了诺贝尔物理学奖。量子反常霍尔效应被认为是量子“霍尔效应家族”中最后一个被实验发现的“成员”。

一般而言，材料中电子的运动没有特定的轨道郑州英语，高度无序。电子与电子、电子与杂质之间会发生碰撞，从而导致发热、能耗等问题。而在量子反常霍尔效应中，不需要外界磁场，电子的运动高度有序，就像高速公路上的汽车，各奔东西，不回头。薛其坤打了个比方，称其就像一条“电子高速公路”。这意味着，这种效应在制备低能高速电子器件领域有着巨大的潜力。

但它真的存在吗?量子反常霍尔效应的实验证实一度成为凝聚态物理学家关注的焦点。

2006年，斯坦福大学美籍华裔科学家张首生带领的团队首次提出，在拓扑绝缘体中引入磁性，将有可能实现量子反常霍尔效应。凝聚态物理和材料科学一直是薛其坤的研究领域，他一直关注着相关研究，并预感到这是一个非常有前景的预测。

2008年10月15日，薛其坤决定带领团队进行实验验证。

要实现量子反常霍尔效应，实验条件非常苛刻，材料电子结构要有独特的拓扑性质，材料要有长程铁磁序，材料要处于绝缘状态，三者缺一不可，而且往往互相矛盾。

虽然薛其坤在人员、资金、经验等方面都不占优势，但他自信有取胜的秘密武器：一支精诚合作、具有吃苦耐劳精神的团队。高质量的材料是实现量子反常霍尔效应的关键。团队分工从一开始就很明确：一个组负责拓扑绝缘体材料的生长，另一个组负责测量生长样品的特性。薛其坤本人则负责样品的整体生长。

薛其坤还发现拓扑绝缘体材料的生长动力学与他长期研究的砷化镓类似。在他的指导下，团队仅用三四个月时间，就在国际上率先建立了拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长动力学，可以在原子水平上实现对样品生长过程的精确控制。这也使得薛其坤团队比国际上其他同行更有可能获得成功。

“7-11”模式与时间赛跑

2010年完成了厚度从1纳米到6纳米的薄膜的生长与输运测量；2011年实现了拓扑绝缘体能带结构的精确调控；2011年底在准二维、绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性，并利用外加栅极电压原位精确调控其电子结构。

两年时间，量子反常霍尔效应所需的三个严苛条件，一一被满足了！实验出奇的顺利，但数据结果却并不理想。

通往科学巅峰的道路从来都不是平坦的。

薛其坤的博士生冯骁回忆说：“即便所有条件都满足，材料的各个参数也需要处于一种微妙的平衡状态学英语听力，量子反常霍尔效应才会发生。”然而出国留学英语，该实验的参数众多，不同参数之间会产生无数的排列组合，这给问题的排查带来了很大难度。

大家陷入集体焦虑，感到“压力山大”。这时，薛其坤发现了端倪，满怀热情地鼓励这群年轻人，“科学发现可以是偶然的，但科学发现的准备是必然的。”这位从小在沂蒙山区长大的科学家考了三次研才成功，读了七年博士才毕业。在他看来，挑战是科研生活的常态，“我们科学家就应该直面困难，解决困难。”

是啊！这些挫折怎么能算艰难呢？薛其坤已经经历过人生中最艰难的时刻了。那是1992年，研究生第五年，他远赴日本留学英文零基础，进入了世界上最先进的实验室。但由于英语听力不好，他无法学习和参与精细复杂的实验操作，时不时还因为交错实验设备而被导师“白眼”。实验室“7-11”模式，早上7点到，晚上11点走，他不习惯。他更加想念远在祖国的妻儿，每次打电话回家，鼻子都酸痛。没有语言障碍外教，没有亲人可以依靠，薛其坤形容那段时光“就像一艘孤舟，漂流到大海深处，无处停靠，差点撑不下去了！”

“我是中国人，我爱我的祖国……”在与家人交谈时，儿子将刚刚学到的课文背诵给他听，稚嫩的声音让焦虑的薛其坤精神一振，“我要对得起家人，对得起祖国。”

想家的时候，他会花半个小时强迫自己冷静下来、恢复精神。如果“7-11”时间太长英语网站，他会跑到厕所费用学英语，关上门，小睡10分钟。语言能力也在日复一日的练习中不断提高。经过八九个月的“魔鬼训练”，薛其坤开始独立操作仪器，研究水平也开始提高。尝到勤奋的甜头后，他把“7-11”作息时间“抄”到了周末，甚至把离开实验室的时间推迟到凌晨。

回国后外教哪里，薛其坤还将“7-11”模式复制到研究院和实验室，他刻苦钻研，取得了十分丰厚的成果，35岁晋升为教授学英语听力，41岁成为中国科学院最年轻的院士之一。

在最艰难的时候，这种吃苦耐劳的精神感染了队里的年轻人。冯晓说，“组里的同学们都很刻苦，有时候凌晨1点离开实验室，看到老师办公室的灯还亮着，我就觉得惭愧。”

团队成员何可记得，薛其坤曾经因为一个新想法，在凌晨一两点给她发邮件；更多的同学记得，薛其坤哪怕是深夜12点下飞机，也会坚持要去实验室参观。

数千个样本见证奇迹

“你磨出的针比别人的亮一对一英文，你磨出的镜子比别人的光滑，你把每一件小事都尽自己最大的努力做好，最终你就会享受到科研的回报！”说起努力的喜悦，薛其坤眼睛一亮，不自觉加快了语速。

在那长达半年的瓶颈期里学英语几个级别，薛其坤鼓励学生搞清实验的每一个细节，把实验的每一个环节做到极致。

以往，研究团队担心几纳米厚的拓扑绝缘体材料受到破坏，会设置衬底和保护层宝宝学英语，不断优化。有一次，冯晓尝试反其道而行之，在去除材料保护层后，竟然出现了出现量子反常霍尔效应迹象的样品。

2012年10月12日，团队成员在实验中发现，横向霍尔电阻达到了15000多欧姆，仅为理想值的0.6倍，但纵向电阻却下降了，与之前两者同时增大的趋势完全不同。

薛其坤这天回家比平时早了一点，他清楚地记得，晚上10点半左右，刚停下车就收到了一位学生的短信。这个消息让他兴奋不已，“好像看到了量子反常霍尔效应的尾巴！”他立即组织团队，设计多个方案，安排实验细节。作为一名严谨的实验物理学家，经验告诉他学外教，单一的测量结果无法说明问题，只有经过反复验证才能得到可靠的数据。在最后阶段，他还邀请了中科院物理所吕立实验组进行合作。后者的稀释制冷机可以将实验温度推到接近绝对零度的极低温度。

一个半月后的12月8日，是一个值得铭记的日子。

实验室里，大家眼睛都盯着屏幕，数据跳动了好几下，霍尔电阻停在了25813欧姆，形成了一个平台，此时纵向电阻急剧下降，趋近于零。

成功了！量子反常霍尔效应出现了！这可是世界首例！经过4年时间，上千个样本，无数次的成长、测量、反馈、调整，他们终于迎来了“见证奇迹”的时刻。在获得最终数据的那天，薛其坤特意开了两瓶香槟，和大家一起庆祝。

2013年3月15日口语英文，国际著名学术期刊《科学》在线发表了这一成果。同年4月，在清华大学新闻发布会上，诺贝尔物理学奖得主杨振宁先生称赞道：“这是第一篇从中国实验室发表的诺贝尔奖级别的物理学论文。”

一位美国著名物理学家给研究团队发来邮件称，“当我看到你们的成果时，心里有些羡慕，但回头想想，这项工作的巨大难度着实让我们惊叹不已。”

2014年至2016年，东京大学、加州大学、麻省理工学院、普林斯顿大学等多次验证这一发现。在瑞典皇家科学院编写的《2016年诺贝尔物理学奖科学背景介绍》中佛山英语，这一发现被列为拓扑物质领域具有代表性的实验突破。

“梦之队”继续探索量子世界

攀登科学高峰永无止境，自2012年底首次发现量子反常霍尔效应以来，团队中三四个课题组一直保持着长期的密切合作，七年来，一个又一个令人兴奋的突破不断到来：

2015年，首次观测到量子反常霍尔效应的零电导平台；

2014年、2015年、2017年在磁掺杂拓扑绝缘体磁与输运性质调控方面取得重大突破；

2018年补习外教，该团队将量子反常霍尔效应的观测温度提高了10倍，并首次实现了量子反常霍尔效应多层结构，犹如为电子的通过搭建了一座“天桥”。

量子反常霍尔效应作为一种新的科学效应英语收费，形成了一个新的研究方向。

薛其坤介绍，目前他们正从三个具体方向努力，一是以量子反常霍尔效应为切入点，探索和发现新的电子运动规律；二是提高观测温度或者说量子反常霍尔效应出现的温度；三是尝试用更廉价、更实用的材料体系制作样品，为未来大规模工业应用打下坚实基础。

“以前我不敢说要为国家培养具有国际竞争力的人才，拿出让其他国家羡慕、尊敬的科研成果，但现在我觉得外教菲律宾，这就是我这个年纪的中国科学家应该做的事情。”如今，作为清华大学副校长的薛其坤，对科研更是怀着“时间就是金钱”的使命感学英语听力，“既然我喜欢科研，那我就要全身心投入其中，在享受科研的同时完成自己的使命。”

2017年底，北京量子信息科学研究院成立，薛其坤担任首任院长。研究院将整合北京现有的量子物理科学、量子通信、量子计算等领域的骨干力量惠州外教，引进全球顶尖人才，在理论、材料、器件、通信与计算、精密测量等方面开展基础前沿研究，推动量子技术的实际应用、规模化和产业化。

如今，走进量子反常霍尔效应团队的实验室，仿佛步入了一个科幻世界。错综复杂的管道密密麻麻，银白色锡箔包裹的不锈钢腔体里，是超高真空环境。正在利用分子束外延技术制备薄膜，电流通过这些薄膜后即可进行输运测量。样品制备、测量、分析……一切都井然有序。

一项新的科学发现，往往意味着人类对自然的认识达到了一个新的高度，薛其坤对此持乐观和期待，“以量子反常霍尔效应的发现为起点学英语课程外教收费标准，我们也期待在微观世界发现更多新的电子运动规律，未来的想象空间非常大。”

“知识是有限的，想象力可以包围世界。”实验室墙上爱因斯坦的这句名言，每天都激励着薛其坤和他的“梦之队”继续探索量子世界的未知领域。

量子霍尔效应

电子竞技的“规则”

一般而言，材料中电子的运动轨迹高度无序，电子与杂质之间会发生碰撞补习英语，从而导致发热和能量消耗。在量子霍尔效应中小学外教，通过外加磁场，电子的运动变得高度有序，它们可以分道行驶，互不干扰，犹如形成了“电子高速公路”；在量子反常霍尔效应中，无需外加磁场即可实现这一现象。

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