【pg娛樂電子游戲官網】70年來首位中國籍獲獎者，薛其坤摘凝聚態物理最高獎

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圖源：南方科技大學

撰文 | 嚴勝男

責編｜李姍姍

2023年10月24日，美國物理學會宣布南方科技大學校長、位中物理清華大學教授、國籍pg娛樂電子游戲官網中國科學院院士薛其坤獲得巴克利獎，獲獎這是薛摘凝最高該獎自1953年授獎以來首次頒發給中國籍物理學家。

巴克利獎被公認為是其坤國際凝聚態物理領域的最高獎，旨在表彰在凝聚態物理領域作出卓越貢獻的聚態獎科學家，過往獲得該獎的年首華裔物理學家有崔琦、沈志勛、位中物理張首晟、國籍文小剛。獲獎此次，薛摘凝最高薛其坤和美國哈佛大學教授Ashvin Vishwanath共同憑借“對具有拓撲能帶結構的其坤材料的集體電子性質的開創性理論和實驗研究”獲獎。

2012年底，聚態獎薛其坤和團隊在全世界首次成功在實驗室中觀測到了量子反?；魻栃?。年首pg娛樂電子游戲官網該成果于2013年5月在美國《科學》（Science）雜志發表，被審稿人稱之為“凝聚態物理界一項里程碑式的工作”。諾貝爾獎獲得者楊振寧評價道：“這是從中國實驗室里，第一次發表出了諾貝爾獎級的物理學論文！”。

量子霍爾效應是凝聚態物理中的一個重要量子效應，可以改變電子的運動軌跡，使其像在高速公路上行駛的汽車一樣有序，減少了中間阻礙，降低熱量消耗率，加快運行速度。整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的實驗發現分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎。由于傳統量子霍爾效應需要強磁場、極低溫、高載流子遷移率樣品才能出現，因此很難真正得到應用。而量子反?；魻栃暮锰幵谟诓恍枰魏瓮饧哟艌?，該項研究成果將推動新一代低能耗晶體管和電子元器件的發展，可能加速推進信息技術革命進程。

圖源：南方科技大學

2008年起張首晟等理論物理學家提出了用磁性拓撲絕緣體實現量子反?；魻栃姆桨?，許多實驗物理學家紛紛大展身手，試圖第一個制作出這種材料，但量子反?；魻栃陌l現沒有預想得那么順利。普林斯頓大學教授鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane）曾預言類似石墨烯的蜂窩結構有時間反演對稱破缺，可能觀察到量子反?；魻栃?，但沒能實現。

實現這一神奇的量子現象，材料必須同時滿足三項非?？量痰臈l件：材料的能帶結構必須具有拓撲特性，從而具有導電的一維邊緣態；材料必須具有長程鐵磁序，從而存在反?；魻栃?；材料的體內必須為絕緣態，從而對導電沒有任何貢獻。薛其坤曾撰文解釋稱，這就如同要求一個人同時具有短跑運動員的速度、籃球運動員的高度和體操運動員的靈巧。

早在2002年初，薛其坤團隊在拓撲絕緣材料生長動力學機制方向的開拓便奠定了今日的領先優勢：一個融合分子束外延設備、掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子能譜三種實驗設備的聯合系統。團隊在三四個月的時間內便率先在國際上建立了拓撲絕緣體薄膜的分子束外延生長動力學，邁出了最為重要的一步。即便如此，在四年的時間里，他們生長和測量了超過1000個樣品，質量上乘的拓撲絕緣體薄膜面對巍然不動的“三座大山”也需要反復調整、反饋，把每一步做到極致。

最終他們成功研制出非常復雜的（四組分的）三維磁有序含Cr的拓撲絕緣體（CrBiSbTe），并且觀測到了非常清晰的量子反?；魻栃?。中國科學院理論物理研究所于淥院士在接受《國家科學評論》采訪時說道，“當薛其坤的文章投稿到Science雜志的時候，審稿人并不相信，但當他們看到原始數據時就信服了”。

量子反?；魻栃且粋€基于全新物理原理的科學效應，是我國獨立觀測到的為數很少的科學效應之一，是我國物理學工作者對人類科學知識寶庫的一個重要貢獻。與此同時，在撰寫的科普文章中，薛其坤還曾提到，“量子反?；魻栃赡苡兄谠谖磥斫鉀Q摩爾定律的瓶頸問題，若應用到電子器件中，有望克服包括計算機芯片等很多電子器件發熱耗能等帶來的一系列問題，推動半導體工業的革命。它的發現或將帶來下一次信息技術革命……”

今年，正是憑借著在拓撲絕緣體研究和在拓撲絕緣體中發現量子反?；魻栃膭撔峦黄?，薛其坤成為了巴克利獎授獎70年以來首位中國籍獲獎者。

薛其坤曾把他的研究目標比做山頂甜美的櫻桃，理論物理學家畫出的櫻桃，到底有沒有誰也不知道，但一路上山的過程可能會看到新的風景，也可能在半山發現桃子。在高溫超導的探索就是無意間摘到了半山的桃子，2012年他發現了單層鐵硒與鈦酸鍶襯底結合而衍生出的界面高溫超導，這一發現挑戰了主流共識。

巴克利獎公布后，薛其坤在南科大接受記者采訪時透露，當前他正在開展的研究計劃有兩個方向，其一是繼續將拓撲絕緣體及量子反?；魻栃芯客葡蛞粋€新的高度。他希望推動量子反?；魻栃挠^察從極低溫度向更高溫度邁進，在液氮溫區實現量子反?；魻栃?。

“基于量子反?；魻栃屯負浣^緣體的研究，我們會看到包括拓撲超導等一系列新奇的物理現象?；诖?，我們能在室溫的環境、室溫的條件下，制造出新電子器件，從而將這一重大科學發現應用于實際?！?/p>

薛其坤透露，團隊另一個研究方向是在高溫超導機理領域的研究。希望通過對高溫超導機理的研究，更新凝聚態物理基礎理論，尋找新的高溫超導材料。目前，他正帶領清華大學和南科大團隊，集合團隊攻堅作戰力量，持續深耕這一領域，期待做出重要突破。

圖源：南方科技大學

近年來，薛其坤已獲國家自然科學一等獎1項，獲國家自然科學二等獎2項，獲第三世界科學院物理獎、陳嘉庚科學獎、求是杰出科學家獎、何梁何利科學與技術成就獎、未來科學大獎－物質科學獎、（首屆）全國創新爭先獎章、菲列茲·倫敦紀念獎、北京市突出貢獻中關村獎和復旦-中植科學獎等獎勵與榮譽。

參考資料：

[1]佘惠敏，“科研的快樂讓我停不下來”——記中國科學院院士薛其坤，https://www.most.gov.cn/ztzl/zmkjry/rwzf/xqk/201506/t20150602_119813.html，《經濟日報》2015

[2]薛其坤，量子反?；魻栃c材料物理學，https://www.tsinghua.org.cn/info/1955/16310.htm，《光明日報》，2019

[3]于淥，中國凝聚態物理的進展和未來，https://mp.weixin.qq.com/s/U_UFr55DBAOZDgKxDqJzBQ，《國家科學評論》，2016