进入信息时期，芯片已然成为处置信息的 年夜脑 。在指甲盖巨细的芯片里封装数十亿个晶体管，可谓人类最复杂的豪举之一。可是，当数据量指数性爆发，仅凭集成更多晶体管不再 一招鲜 ，元器件的发烧问题成为限制算力晋升的瓶颈。而量子反常霍尔效应，则供给了实现超高机能电子器件的可能性。

超海量数据时期会对信息的存储和处置提出极高的要求，需要一种完全立异的计较机，实现近似在超导、电阻等在零的无能耗输运。 凝集态物理学家、清华年夜学传授、中国科学院院士薛其坤说。

在材猜中，电子的活动是高度无序的。电子和晶格振动、电子和杂质、电子和电子会不竭碰撞，发生电阻、发烧等结果。假如给薄膜材料外加一个强磁场，电子有可能当即 端方 起来，沿着鸿沟不受阻碍地活动，这类有趣的现象叫做量子霍尔效应。假设能找到一种非凡材料，既有自觉磁化，电子态又具有拓扑布局，则有可能在不过加磁场的环境下发生量子霍尔效应。这就是量子反常霍尔效应。

多年来，量子反常霍尔效应犹如一个传说中的 宝藏 ，让列国物理学家魂牵梦绕，却没人能证实它真实存在。

颠末数年摸索，薛其坤团队经由过程份子束外延的法子，制备出生避世界上首个具有铁磁性、绝缘和有拓扑特征的别致物理性质材料的薄膜，初次在尝试室找到了这个 宝藏 。

6月24日，薛其坤取得2023年度国度最高科学手艺奖。

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进入 没有赛道的竞技场

1980年月，国际量子材料和物态范畴根本研究迎来爆发式成长。整数和分数目子霍尔效应等多项发现，开启了拓扑量子物态这一新研究范畴，并为成长低能耗电子器件带来了新的可能。

不外，量子霍尔效应的发生需要很是强的外加磁场，这对其研究和利用都带来了极年夜坚苦。试想一下，假如运行一枚具有量子霍尔效应的芯片，需要配备一台冰箱巨细的强磁场产生器，谁能接管？

2016年诺贝尔物理学奖取得者霍尔丹（F.D.M.Haldane）在1988年提出，有可能存在不需要外加磁场的量子霍尔效应系统。但他的假定离现实材料系统相距甚远。尔后20多年里，在真实材猜中发现量子反常霍尔效应，一向是凝集态物理学的重年夜科学方针之一。

2005年，拓扑绝缘体概念被提出，科学家认为，在拓扑绝缘体薄膜中引入铁磁性，理论上有可能实现量子反常霍尔效应。但要在尝试中实现这一效应却极其坚苦。由于反常霍尔效应的量子化，需要材料的性质同时知足三项很是刻薄的前提：一是材料的能带布局必需具有拓扑特征，从而具有导电的一维边沿态，即一维导电通道；二是材料内必需具有长程铁磁序，从而无需借助外磁场而存在反常霍尔效应；三是材料体内必需为绝缘态，对导电没有任何进献，只有一维边沿态介入导电。在尝试中，想实现以上任何一点都很难，即便在理论上，可否同时知足这三个前提也存在很年夜不肯定性。是以，有人将这项全球尝试物理学家面对的庞大挑战，形容为 没有赛道的竞技场 。

从2008年起，薛其坤团队操纵份子束外延发展-低温强磁场扫描地道显微镜-角分辩光电子能谱相连系的怪异手艺手段，最先对拓扑绝缘体展开研究。他们初次成立了Bi2Te3家族拓扑绝缘体的份子束外延发展动力学，成长出严酷节制材料组分的三温度法，发展出国际上质量最高的拓扑绝缘体样品。该方式后来成为国际上通用的拓扑绝缘体样品制备方式。

随后，他们初次操纵角分辩光电子能谱，绘制出三维拓扑绝缘体在二维极限下的电子能带布局演变。这项功效为基在拓扑绝缘体薄膜的年夜量后续工作打下了根本。他们操纵低温强磁场扫描地道显微镜手艺，揭露出拓扑绝缘体概况态的拓扑庇护性和朗道量子化等怪异性质，在国际上发生了很年夜的学术影响。这一系列尽力与功效，使我国在拓扑绝缘体范畴跻身国际领先行列。

在此根本上，薛其坤将眼光投向了量子反常霍尔效应。 对科学家来说，这是一个很是奇奥的物理现象，我们很但愿把这个谜揭开，看看它究竟是不是存在。并且，在国度撑持下，我们的相干尝试手艺也到达了这个程度。 他说， 正可谓天时人地相宜。

2009年，薛其坤率领量子反常霍尔效应尝试团队，进入了 没有赛道的竞技场 。

一条保留了12年的短信

昔时薛教员找到我和几位教员，说国际上有理论预言，可以在磁性拓扑绝缘体中寻觅量子反常霍尔效应，并约请我们一路攻关来发现这个效应。 清华年夜学物理系传授王亚愚回想，本身那时当即被吸引了。

2009年，薛其坤团队与来自清华年夜学、中国科学院物理研究所、美国斯坦福年夜学的合作者们，基在所取得的高质量拓扑绝缘体薄膜，最先对量子反常霍尔效应进行尝试攻关。

攻关进程极其艰辛，面对学术、手艺和线路等浩繁复杂的问题。薛其坤介绍说，制备厚度约5纳米的薄膜其实不难，难的是要在原子标准上节制搀杂的元素，更难的是要在电子条理上把布局、材料和物理性质之间的内涵联系关系理解清晰，为下一个尝试寻觅标的目的。

在不竭试探中，研究团队制备出组分、厚度均切确可控的三元拓扑绝缘体薄膜，实现经由过程薄膜化学组分比例和电场效应，调控拓扑概况态的能带布局和薄膜的载流子类型与浓度。他们经由过程在该薄膜中搀杂磁性铬原子，在此中成立了铁磁序，和垂直在薄膜面的易磁化轴。据统计，他们共制备了1000多个样品，终究取得的材料可以兼具铁磁性、绝缘性和拓扑性，是实现量子反常霍尔效应的抱负材料系统。 每一个样品从发展到丈量，最少需要三四天时候。 薛其坤说， 大师把能力阐扬到了极致，他们支出的尽力使人惊奇。

2012年头，工作碰到瓶颈。 所有需要的前提我们仿佛都已到达了，可是获得的成果离终究的成功还很遥远。 团队成员、清华年夜学物理系传授何珂回想说。

薛其坤其实不认为这是掉败。 在尝试上，假如我们达不到方针，申明我们的学术判定纷歧定准确，这是一个提高学术能力的机遇。在科学摸索中，把欠亨的路找出来也是进献。 他说。

在他的鼓动勉励和启发下，大师从头静下心来，并决议改变思绪，做 减法 ，一一解除样品中可能存在的各类问题。

薛其坤的手机里，至今保存着一条2012年10月12日收到的短信。

那是一个周五。当晚值班的项目构成员常翠祖，看到了量子反常霍尔效应初步迹象，在是敏捷给薛其坤发了短信。 那天我回家早一点，大要十点半摆布，刚停下车就收到动静。 薛其坤对此记忆犹新， 那时很是冲动，也很欣慰。

最初决议做这项尝试的时辰，其实我们有思惟预备，或许我们尽力以后发现量子反常霍尔效应其实不存在。 薛其坤说， 终究我们在根本研究中发现了这一科学纪律。对科学家来说，这是一种莫年夜的幸福。

尽力鞭策功效利用

量子反常霍尔效应是新中国成立以来我国物理学家发现的主要科学效应之一，是中国物理学界对世界物理学成长作出的一项重年夜进献。

这个功效的发生，应当是对国度、人平易近持久鼎力撑持的回报。 薛其坤暗示。

功效颁发后，发生了庞大的国际学术影响，获得了杨振宁等闻名物理学家的高度评价。薛其坤在2014年、2022年两次受邀在由诺贝尔基金会倡议的诺贝尔论坛作特邀陈述，还在2014年国际份子束外延年夜会、2014年国际半导体物理年夜会等相干范畴最有影响力的国际会议上作年夜会特邀陈述。

该功效也鞭策了相干研究的快速成长。尔后数年间，列国研究者经由过程对磁性拓扑绝缘体材料性质的改良，将量子反常霍尔效应的实现温度从0.03开尔文（K）晋升到1开尔文以上。美国、日本、德国等国的国度计量机构均展开了基在量子反常霍尔效应的电阻量子尺度研究，量子反常霍尔电阻的切确度已初步知足利用在电阻量子尺度的前提。量子反常霍尔效应还在超冷原子系统、内禀磁性拓扑绝缘系统统、转角石墨烯、转角过渡金属硫化物系统中被不雅测到。现在，量子反常霍尔效应相干研究已成为国际物理学成长最快的研究标的目的之一。

薛其坤团队也在相干研究中不竭获得新功效，继续引领着该标的目的的国际学术进展。他们与合作者在2018年初次发现一种内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4，这类材料具有法则摆列的磁性原子和庞大的磁能隙，有可能实现更高工作温度的量子反常霍尔效应，从而使其能在电子器件中利用。这一发现开启了国际上一个新的热门研究标的目的，最近几年已有科学家基在该材料，在30K温度不雅测到磁场辅助下量子反常霍尔态存在的证据，进一步增年夜了基在此材料实现高温量子反常霍尔效应的但愿。

我们还要提高量子反常霍尔效应的不雅察温度，寻觅更廉价的材料，使它尽快利用到现实中去。这是我们正在尽力的标的目的。 薛其坤说。

山区走出的计谋科学家

薛其坤曾自比为 一艘从沂蒙山区驶出的划子 。

1980年，他分开老家山东省临沂市蒙阴县，考入山东年夜学光学系。他自我评价说，本身那时 不算特殊尽力，中规中矩完成了学业 。卒业那年，他没考上研究生，工作两年后又考，再次落榜。1987年，他考入中国科学院物理研究所，最先了研究生进修。5年后，在导师陆华的帮忙下，他作为中日结合培育博士生，前去日本东北年夜学金属材料研究所进修。

在日本的进修，给薛其坤带来了两年夜影响。一是使他养成了 7-11 工作习惯。他回想说： 在此时代，我第一次接触到世界上最早进的尝试手艺和国际开放的情况。这长短常可贵的机缘，我很顾惜。是以天天早上7点到尝试室，晚上11点分开，以求用更长的工作时候尽量把握更多尝试手艺。 二是他逐步养成了极其严谨的尝试科学研究立场。

1994年，薛其坤回国完成答辩，在中国科学院物理研究所取得博士学位，随后继续赴日本东北年夜学工作，并作为拜候学者，在美国北卡莱罗纳州立年夜学物理系做了一年的博士后。1999年，他回国，在中国科学院物理研究所担负研究员。2005年起，他任清华年夜学物理系传授。

在国外7年多时候，我看到了国度在科学研究上、国人在糊口程度上，跟发财国度的庞大差开博体育距。 薛其坤说， 这类履历果断了我想为国度多做点事的信心。我但愿故国在科技各个方面都变得壮大，但愿中国人活得更幸福、更有庄严。

带着这份信心，薛其坤投身在故国科研事业，天天早上7点到尝试室，晚上11点分开。常有学生想跟他比比谁能更早到、更晚分开尝试室，但没人能像他那样多年如一日地对峙。

现在，他已成为我国在量子科技范畴的卓异计谋科学家。除量子反常霍尔效应，他还率领团队发现界面加强高温超导，实现高温超导范畴的主要冲破，在国际上斥地了高温超导的全新研究标的目的。

在人材培育、团队扶植等方面，薛其坤一样功效显著。他的团队中已有1人被选中国科学院院士、30余人次入选国度级人材打算，共培育博士生、博士后120余名，为我国低维物理、量子材料范畴成立了具有国际水准的人材步队。

山区里驶出的 划子 ，现在已成为驰骋在科学海洋里的 巨舰 ，在潮头浪尖领航。

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