3月中旬，凝聚態(tài)物理學(xué)界發(fā)生了一件大事。由中國科學(xué)院物理研究所和清華大學(xué)科研人員組成的團隊，在國際上首次實(shí)現了“量子反?；魻栃?。
這一成果在美國《科學(xué)》雜志上一經(jīng)發(fā)表，立即引起了不小震動(dòng)。從上世紀80年代開(kāi)始，有關(guān)量子霍爾效應的研究已先后兩次斬獲諾貝爾獎，可這一家族中的“量子反?；魻栃眳s一直與全世界物理學(xué)家捉著(zhù)迷藏，不肯露出廬山真面目。
但鮮為人知的是，這篇寥寥數頁(yè)的論文，不僅是科研人員多年心血的結晶，更已成為中國科學(xué)家協(xié)同創(chuàng )新的一個(gè)典范。
令人著(zhù)迷的量子世界
在肉眼看不到的微觀(guān)世界，粒子有自己獨特的一套“生活方式”，它們的行為難以用經(jīng)典力學(xué)去解釋?zhuān)孔恿W(xué)應運而生。
實(shí)際上，量子霍爾效應就是粒子在低溫條件下所發(fā)生的一種奇特現象?！捌胀顟B(tài)的電子是雜亂無(wú)章的，它們無(wú)序運動(dòng)，不斷發(fā)生碰撞?！敝锌圃何锢硭芯繂T、北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗室副主任戴希說(shuō)，“而處于量子霍爾態(tài)的電子則好像置身在一條'高速公路’上，中間有隔離帶，將兩個(gè)方向的'車(chē)’流隔開(kāi)?！?/p>
也就是說(shuō)，量子霍爾效應能解決電子碰撞發(fā)熱的問(wèn)題，因而在未來(lái)的量子計算、量子信息存儲方面具有巨大的應用潛力，據此設計新一代大規模集成電路和元器件，將會(huì )具有極低的能耗。
盡管前景誘人，但普通的量子霍爾效應卻有個(gè)麻煩的“拖油瓶”——它的實(shí)現需要一個(gè)龐大的外加磁場(chǎng)。1988年，美國物理學(xué)家霍爾丹提出可能存在一種不需外磁場(chǎng)的量子霍爾效應，也即量子反?；魻栃?。
“外磁場(chǎng)的問(wèn)題可以用鐵磁性材料來(lái)解決，但這樣一來(lái)，物理性質(zhì)就完全變了，我們需要新的材料體系和物理途徑?！贝飨Ｕf(shuō)。
可要到哪里找這種特殊材料呢？近幾年“火”起來(lái)的拓撲絕緣體，給戴希等人提供了新的思路。
2009年，中科院物理所方忠、戴希，美國斯坦福大學(xué)教授張首晟等在《自然物理》發(fā)表的文章成功預言了Be2Se3等一類(lèi)三維拓撲絕緣體材料并很快在實(shí)驗上得以實(shí)現。緊接著(zhù)，2010年，他們又在《科學(xué)》上發(fā)表了一篇文章，提出在這種拓撲絕緣體膜中摻入磁性離子，將可能實(shí)現量子反?；魻栃?。
“我們就像一條串聯(lián)電路”
文章出來(lái)后，戴希覺(jué)得自己可以先歇一歇了?！拔覀兊倪@種方案實(shí)現起來(lái)極其困難，當時(shí)我覺(jué)得，沒(méi)準我頭發(fā)都白了，也等不到量子反?；魻栃獙?shí)現的那一天?！?/p>
但實(shí)驗物理學(xué)家不這么想。得知戴希等的成果后，中科院物理所研究員馬旭村和副研究員何珂攬下了材料設計與制備的活兒。
“我們生長(cháng)出樣品后，送到清華去測霍爾電阻，然后再拿回來(lái)改進(jìn)，一天跑幾個(gè)來(lái)回很正常?！焙午骈_(kāi)玩笑說(shuō)，幸虧兩個(gè)兄弟單位離得近。
這樣的“折返跑”，3年里重復了無(wú)數次。據粗略估計，僅是制備摻雜磁性的拓撲絕緣體材料，他們就做了1000次，若加上其他方面的探索，可能還要再上一個(gè)數量級。
“這項研究的參與者有三四十人，整個(gè)團隊就像一條串聯(lián)電路，我們這些'電阻’，雖然個(gè)頭有大有小，但每個(gè)人身上通過(guò)的電流都是一樣的。拿走任何一個(gè)'電阻’，電路都不會(huì )通?！贝飨８锌?，“如果沒(méi)有這么好的合作模式和流程，很難想象我們會(huì )在3年不到的時(shí)間里做成這件事?！?/p>
“物理學(xué)中，很多時(shí)候都是實(shí)驗觀(guān)察到現象，然后得出理論。他們的研究剛好相反，是一次從理論到實(shí)驗的完整過(guò)程?！敝锌圃涸菏坑跍O評價(jià)，“從這項工作中可以看出團隊合作的重要性，大家優(yōu)勢互補、協(xié)同創(chuàng )新，各路能人都凝聚在一起，才可能取得重要的創(chuàng )新成果?！?/p>
