2019年1月8日上午，2018年度国家科学技术奖励大会隆重召开。刘永坦院士、钱七虎院士获2018年度国家最高科学技术奖。此外，国家技术发明奖67项，国家科学技术进步奖173项，国家自然科学奖38项。国家自然科学奖一等奖为中科院院士、清华大学教授薛其坤团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”，团队成员主要包括清华大学薛其坤、王亚愚，以及中科院物理研究所何珂、马旭村、吕力。
对物理学界来说，“量子反常霍尔效应”是近几年来的热点话题。中科院院士、清华大学副校长薛其坤率领的科研团队，首次实验证实了拓扑绝缘体的现象。2013年3月15日，研究成果《在磁性拓扑绝缘体内量子反常霍尔效应的实验观察》在线发表。在杨振宁看来，这是首次在中国大陆的实验室里产生诺贝尔奖级的科研成果。
薛其坤
一个学生提出的研究方向
对于研究组进入拓扑绝缘体领域的研究，薛其坤在一次报告会中介绍，有个学生在2008年10月10日上交的文献阅读报告里写道：“2008年4月24日，《科学》杂志上发表了一篇拓扑绝缘体的文章，这篇文章引起了我极大的兴趣，因为在成分如此熟悉如此简单的体系里，有我从来没有听说过的物理现象。”
当时薛其坤正忙于其他方向的研究，对这名学生提出的问题不太关心。“我听他讲了之后，感觉非常有意思。后来，把这个问题拿到小组会议上进行讨论。而后，他就开始着手这方面的研究工作。”薛其坤说，由于研究组从事过多年的元素铋的研究，所以对铋的特性摸得非常清楚，铋元素里只要掺进一些锑，就可以实现《科学》杂志上说到的拓扑绝缘体。
转眼到了2008年年底。薛其坤的学生在实验中得到了质地非常均匀的一微米立方大小的原子扫描显微镜照片，可以看到一个个非常平的单元台阶；同时用“角分辨光电子能谱”仪器测量它的电子结构，看到了预计中的电子结构。就这样，很快验证了《科学》杂志中提到的拓扑绝缘体实验。从而，他们进入了这一刚刚兴起的领域。
事实上，同一时期其他国家的科学家也在从事拓扑绝缘体领域研究。薛其坤介绍，2009年初，普林斯顿大学的Hasan教授的研究组，以及张首晟、方忠等人相继发表文章，这两篇文章都从理论上预判新的拓扑绝缘体不是合金，而是一种化合物。由此，拓扑绝缘体的研究得到了很快的发展。
薛其坤在实验室
攻克材料难关
对于解决材料绝缘的问题，薛其坤介绍，理论物理学家早已提出了基本的拓扑绝缘体概念，但材料很难做出来。“量子反常霍尔效应对材料的要求是：第一，材料必须具有铁磁性，从而存在反常霍尔效应；第二，材料体内必须绝缘，从而内部不能导电；第三，材料的表层电子结构必须具有一维导电通道的拓扑特性。”
而国外多个物理学家在做拓扑绝缘体材料的时候，无论用什么办法，都不能做到材料绝缘。薛其坤说，“而对于我们而言，拓扑绝缘体材料的问题恰恰能够有办法解决。这就得益于实验组的“MBE-STM-ARPES联合系统”。这个机器很容易就能解决材料生长精度的问题。”
2009年春节假期刚结束，薛其坤的学生在网上看到两篇文章，一篇是普林斯顿大学的Hasan教授研究组的文章，另一篇是张首晟、方忠的文章，这两篇文章都从理论上预判新的拓扑绝缘体不是合金，而是一种化合物。研究组成员马上召开小组会议进行讨论，讨论结束后，研究组马上放弃铋锑合金，赶快转到化合物上来。
2009年四五月份，通过运用MBE仪器，培育出了硒化铋、碲化锑。并且很快建立起了高质量生长动力学的碲化铋单晶薄膜。这样，在拓扑绝缘体领域就解决了重要的材料问题。
“而且，这不是传统的单晶生长方法。这种方法制备出来的化合物的单晶薄膜，是一层层长上去的，薄膜的形状非常漂亮。”薛其坤说，用ARPES仪器观察碲化铋电子结构的时候，可以看到非常漂亮的狄拉克圆锥形的电子结构。而且更加重要的是，这种材料是绝缘的。并且，实验组只用一天半时间就能做成薄膜。
这样，国际物理学界都知道了薛其坤团队在薄膜材料及其表征的研究方面取得进展，也就使他们在拓扑绝缘体领域奠定了国际学术界的地位。
薛其坤说，解决基本的材料问题之后，接下来他们用功能强大的“极低温强磁场STM-MBE联合系统”，在2009年证明了拓扑绝缘体具有“时间反演对称性”；在2010年至2012年多次证明了拓扑绝缘体是一种“无质量狄拉克费米子体系”，相继证明了拓扑绝缘体的能带工程、尺寸效应，等等。
由于和陈曦、马旭村一起，在对拓扑绝缘体的基本物理性质研究方面取得较大成果。在2010年，三人一起以最高票获得了“中国高等学校十大科技进展”奖项。另外，薛其坤还由此获得了2011年求是“杰出科技成就集体奖”，以及2012年的“陈嘉庚科学奖”。
“量子反常霍尔效应”的实验发现
2012年10月12日晚上，薛其坤刚回到家停下车，就收到一条学生从实验室发来的短信：“薛老师，量子化反常霍尔效应出来了，等待详细测量。”
后来，他们把材料拿到了吕力的实验室进行测量。2012年12月6日，最终得到了想要的实验结果，实验数据非常完美地达到了理论上的电阻。那天上午十点左右，在完成所有的测量后，实验组主要成员打开香槟进行庆祝，并合影留念。
薛其坤说，两个星期以后，他把写好的文章发给了美国《科学》杂志。一个多月后，收到了三个审稿人的意见，他们称“从来没有见过这么好的实验结果。”
2013年3月15日，研究成果文章《在磁性拓扑绝缘体内量子反常霍尔效应的实验观察》网上在线发表。薛其坤说，“国外专家看到实验结果后非常惊讶，在之前的霍尔效应实验中从没有测到过这么漂亮的曲线。”2013年4月12日，《科学》杂志正式发表。
从1879年发现霍尔效应，到2013年发现量子反常霍尔效应，时间跨度达134年。无疑，量子反常霍尔效应的实验证明意义重大，在薛其坤看来，量子反常霍尔效应的实验证明，从科学意义上来讲，在物理上彻底搞清楚了争论一百多年的反常霍尔效应机制。同时，在实验过程中，培养了一些优秀的年青一代的物理学家。还有，就是它重要的应用价值。
虽然把量子反常霍尔效应广泛应用于实用器件不是一件容易的事情。“我想，在不久的未来，它可能将广泛应用到晶体管、电子芯片等领域，或许会带来一场新的电子技术领域的革命。”薛其坤说。
采写：南都记者 吴铭
