出品 | 網(wǎng)易新聞
撰稿 | 史文慧
2019年1月8日上午，一年一度的國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會(huì )在人民大會(huì )堂開(kāi)幕，會(huì )上揭曉了2018年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎以及“國家三大獎”——國家自然科學(xué)獎、國家技術(shù)發(fā)明獎和國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎。
薛其坤院士團隊的“量子反?；魻栃膶?shí)驗發(fā)現”獲得國家自然科學(xué)獎中的唯一一個(gè)一等獎。
量子反?；魻栃烤故巧?？
第一眼看到“量子反?；魻栃边@個(gè)詞，是不是有種不明覺(jué)厲的感覺(jué)？其實(shí)，它和我們的日常生活密切相關(guān)。
生活中，我們用到的電器，如計算機、筆記本電腦、手機等，因為發(fā)熱以及電阻的存在等原因，在工作過(guò)程中總會(huì )存在一定的能量損耗，無(wú)法發(fā)揮最大的效率。這些電器都是由電子器件組成的，電子器件的運行要依靠電子來(lái)完成，而之所以會(huì )產(chǎn)生能量損耗，從微觀(guān)的視角來(lái)看，其實(shí)是因為電子在電子器件中進(jìn)行著(zhù)雜亂無(wú)序的運動(dòng)。
既然電子器件的能耗是電子無(wú)序運動(dòng)導致的，那么如果可以讓電子的運動(dòng)像高速路上的汽車(chē)一樣，各行其道互不干擾，豈不就可以提高效率、降低能耗了？科學(xué)家們也是這么想的。
自19世紀80年代美國物理學(xué)家霍爾（Edwin Herbert Hall，1855-1938）發(fā)現霍爾效應和反?；魻栃?，各國的科學(xué)家一直在努力尋找能夠讓電子有序運動(dòng)的辦法。
“利用量子反?；魻栃砗?，電子就可以變得非常有序”，“所以，（量子反?；魻栃┦翘峁┙档碗娮悠骷芎牡囊粋€(gè)重要物理學(xué)原理”。中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)副校長(cháng)薛其坤此前接受網(wǎng)易新聞專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)這樣解釋道。
它是如何被發(fā)現的？
道理已經(jīng)清楚了，可是，量子反?；魻栃吘怪皇抢碚撐锢韺W(xué)家提出的一種假說(shuō)，在現實(shí)世界中真的可以做到嗎？
霍爾效應已經(jīng)切切實(shí)實(shí)應用在了生活的許多方面，一些空調元件、汽車(chē)的里程表和速度表以及各種開(kāi)關(guān)都有霍爾效應的身影。量子霍爾效應也已經(jīng)于上個(gè)世紀在實(shí)驗上得以發(fā)現，并先后兩次拿下諾貝爾物理學(xué)獎。
然而，量子的反?；魻栃獏s遲遲沒(méi)有取得突破，成為凝聚態(tài)物理學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。
根據清華大學(xué)的介紹，2006年，張首晟團隊預言了一類(lèi)叫拓撲絕緣體的材料，并在2008年與清華大學(xué)、中科院物理所的合作伙伴們一起提出了在拓撲絕緣體中引入磁性將有可能實(shí)現量子反?；魻栃睦碚?，這成為了一個(gè)可能的突破口。
絕緣體我們都比較熟悉，它們是一類(lèi)不容易導電的物質(zhì)，而拓撲絕緣體和傳統意義上的“金屬”與“絕緣體”都不同，它是一種內部絕緣、界面導電的材料。2008年10月15日，薛其坤在課題組例行組會(huì )上聽(tīng)到一位博士生關(guān)于拓撲絕緣體的概念以及相關(guān)研究成果的介紹，與學(xué)生們進(jìn)一步討論后，薛其坤決定開(kāi)始拓撲絕緣體研究，通過(guò)實(shí)驗來(lái)驗證假說(shuō)。
量子反?；魻栃膶?shí)驗條件非?？量?，需要同時(shí)滿(mǎn)足三個(gè)條件：材料的電子結構必須具有獨特的拓撲特性；材料必須具有長(cháng)程鐵磁序；材料的體內必須為絕緣態(tài)從而對導電沒(méi)有任何貢獻。
實(shí)驗用到的儀器也十分復雜，一個(gè)小配件碰壞了就有可能導致整個(gè)儀器癱瘓。而如果損壞的零配件自己無(wú)法修復，在國內又無(wú)法買(mǎi)到，還需要耗費幾個(gè)月時(shí)間從國外進(jìn)貨。
經(jīng)過(guò)4年的嘗試，實(shí)驗終于取得了突破，2012年12月8日，薛其坤團隊與中科院物理所團隊合作，在實(shí)驗中觀(guān)測到了量子反?；魻栃?。
還有哪些需要攻克的難點(diǎn)？
量子反?；魻栃趯?shí)驗中被驗證了，但擺在科學(xué)家面前的難題才剛剛開(kāi)始，要想讓量子反?；魻栃獞糜趯?shí)際，就必須解決實(shí)驗條件苛刻的問(wèn)題。
雖然實(shí)現量子反?；魻栃臏囟纫呀?jīng)從原來(lái)的比絕對零度高0.03度提高到了比絕對零度高0.3度，但這個(gè)實(shí)現溫度仍舊極低，這不僅阻礙了進(jìn)一步研究，也讓其走向實(shí)際應用帶來(lái)挑戰。
另外，此前是在一個(gè)量子反?；魻栃獙油瓿蓪?shí)驗，這相當于只有一條電子運行的高速公路，而要想增強材料的導電能力，就需要建立量子反?；魻栃亩鄬咏Y構。如何形成一個(gè)多層結構并且讓各層之間不受彼此干擾地正常運轉，科學(xué)家們還有很長(cháng)的路要走。
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