攻克量子世界的制高點

——記清華大學薛其坤院士領銜的科研團隊

初春時節，北京傳出喜訊：清華大學物理系和中科院物理所聯合組成的團隊在實驗中首次發現量子反常霍爾效應，這被著名物理學家楊振寧稱之為“諾貝爾獎級”的科研成果。

在凝聚態物理中，量子霍爾效應占據著極其重要的地位。整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應的實驗分別發現于1985年和1998年，獲諾貝爾物理學獎。這次中國科學家首次在實驗上觀測到的量子反常霍爾效應，被認為可能是量子霍爾效應家族最后一個有待實驗發現的成員。為實現這一基礎科學領域的重大突破，以清華大學薛其坤院士領銜的團隊花費整整四年時間。

從1992年讀博士起，薛其坤就一直從事薄膜生長動力學的系統研究，至今已累積了20余年的經驗，他因此獲得兩項國家自然科學二等獎。在他的指導下，科研團隊僅用三四個月時間就在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的分子束外延生長動力學，實現了對樣品生長過程在原子水平上的精確控制，薄膜樣品質量很快達到了國際領先水平。

雖然材料生長動力學這一關鍵問題得以解決，但這并不意味著接下來就是一片坦途。實現量子反常霍爾效應所需的三個苛刻條件帶來的種種難題他們都遇到了，實驗面臨的瓶頸數次讓整個團隊舉步維艱。然而，他們沒有放棄，而是選擇獨辟蹊徑，最終找到一條現在看來非常合理的技術路線。這得益于研究組的緊密合作，他們幾乎每天都通過郵件和電話交流實驗結果，每兩三周都進行一次討論，分析實驗的所有細節，制定詳盡的下一步計劃。

許多團隊成員說：“每一點進步都得益于精誠合作、聯合攻關，我們這些有不同專長、不同性格、不同思路的研究人員為了一個共同的目標而努力，互相交流，互相促進，是取得成功的關鍵。”

團隊成員在過去四年里共生長和測量1000多個樣品，并通過一次次的生長、測量、反饋、調整，爭取在每一步都做到極致。功夫不負有心人，每半年到9個月，他們就會克服一個困難，向前跳一級，一個個激動人心的成果接踵而來。

2012年10月的一個晚上，薛其坤收到學生的短信：他們在實驗中發現了量子反常霍爾效應的跡象！歷史將這一時刻定格，在美國物理學家霍爾1880年發現反常霍爾效應130多年后，人類終于實現了其量子化！

量子反常霍爾效應這一重大科學發現證明，中國科學家的科學素養、研究水平和對實驗技術的掌握，已與國際先進水平接軌。在中國加大投入基礎科學研究20年后，中國科學界已經具備一批國際水平的科學家向世界科學領域“亮劍”。

現在，這個誕生于中國本土的優秀科研團隊仍在為量子反常霍爾效應的應用前景而奮斗著。薛其坤說：“作為清華的一名教師和科研工作者，培養一流的人才，創造一流的科技成果，服務于創新型國家建設和經濟社會發展，是我們始終不懈追求的目標，也唯此才能為實現中華民族的偉大復興的‘中國夢’作出自己的貢獻。”

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