1 月 8 日，中共中央、國務院在北京人民大會堂隆重舉行國家科學技術獎勵大會，對為我國科學技術進步、經濟社會發展、國防現代化建設作出突出貢獻的科學技術人員和組織給予獎勵。中國科學院物理研究所和清華大學研究團隊憑借“量子反常霍爾效應的實驗發現”榮獲 2018 年度國家自然科學一等獎，項目五位完成人代表中薛其坤院士、何珂教授、馬旭村教授、呂力研究員等四位長期在中科院物理所學習和工作。該成果是我國科學家團隊聯合攻關，經過數年的不懈探索和艱苦攻關，取得的重大基礎前沿突破，也是繼“液氮溫區氧化物超導體的發現”獲 1989 年國家自然科學一等獎和“40K 以上鐵基高溫超導體的發現及若干基本物理性質研究”獲 2013 年國家自然科學一等獎之后，物理所研究團隊第三次榮獲國家自然科學一等獎。
微觀世界的運行由量子力學規律支配，會顯示完全不同于宏觀世界的現象。能夠在宏觀尺度顯示量子力學效應的量子材料現在是物理學、材料科學、電子學、量子信息等學科共同關注的焦點，有可能會推動材料、信息、能源等技術的革命性發展。中國科學院物理研究所和清華大學的研究團隊在過去幾年量子材料的研究中取得了一系列國際領先的科研成果，尤其是量子反常霍爾效應的首次實驗發現，是世界物理學界近幾年的最重要的實驗進展之一，引領了國際學術方向。 霍爾效應家族及其發現時間 霍爾效應是一種常見的電磁現象，廣泛應用于磁傳感器和半導體工業。1980 年德國科學家馮?克利青發現的整數量子霍爾效應以及 1982 年美國科學家崔琦和施特默發現的分數量子霍爾效應向人們揭示出一種新的物質態：拓撲量子物態。拓撲量子物態就可能顯示出可在宏觀尺度存在的新奇量子效應。關于量子霍爾效應和拓撲物態的一系列發現和研究先后在 1985 年、1998 年、2016 年獲得諾貝爾物理獎，成為物理學最近幾十年最受關注的研究領域之一。量子反常霍爾效應是又一個全新的量子化的霍爾效應。由于其不需要外加磁場，是量子霍爾效應家族中最接近應用的。 在實驗上在真實材料中發現量子反常霍爾效應，長期以來一直是物理學家追求的目標。自 1988 年開始就不斷有理論物理學家提出各種方案，包括諾貝爾物理學獎獲得者霍爾丹提出的霍爾丹模型、中科院物理所和斯坦福大學研究團隊提出的磁性拓撲絕緣體材料等，然而在實驗上沒有取得任何重要進展。因為反常霍爾效應的量子化需要材料的性質同時滿足三項非常苛刻的條件：材料的能帶結構必須具有拓撲特性從而具有導電的一維邊緣態，即一維導電通道；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反常霍爾效應；材料的體內必須為絕緣態從而對導電沒有任何貢獻，只有一維邊緣態參與導電。在實際的材料中實現以上任何一點都具有相當大的難度，而要同時滿足這三點對實驗物理學家來講是一個巨大的挑戰，美國、德國、日本等科學家由于無法同時滿足這三點而未取得最后的成功。 量子反常霍爾效應示意圖 長期以來薛其坤團隊結合分子束外延生長、極低溫強磁場掃描隧道顯微鏡、角分辨光電子能譜技術，在表面、界面、低維物理學領域做出了國際一流的工作。2008 年，薛其坤研究團隊抓住拓撲絕緣體這個新領域興起的契機，在國際上率先建立了拓撲絕緣體薄膜的生長動力學機制，利用分子束外延生長出國際最高質量的樣品。所提出的生長方法現已成為國際上通用的拓撲絕緣體樣品制備方法。在此基礎上，他們利用掃描隧道顯微鏡揭示出拓撲絕緣體表面態的拓撲保護性和朗道量子化等獨特性質。該研究團隊與國內相關科學家的努力使得中國在拓撲絕緣體領域研究中處于國際領先行列。從 2009 年起，薛其坤領導的實驗研究團隊與清華大學、中科院物理所、斯坦福大學的研究者合作，在相關理論工作的基礎上，對量子反常霍爾效應的實驗實現進行攻關。他們生長測量了超過 1000 個樣品，一步步克服了重重障礙。團隊利用分子束外延的方法生長了高質量的磁性摻雜拓撲絕緣體薄膜，將其制備成輸運器件并在極低溫環境下對其磁電阻和反常霍爾效應進行了精密測量。最終他們發現在一定的外加柵極電壓范圍內，此材料在零磁場中的反常霍爾電阻達到了量子霍爾效應的特征值 h/e2 ~ 25813 歐姆。關于此項研究成果的論文投向美國《科學》（Science）雜志，很快被接受發表。 量子霍爾效應可以用于發展新一代的低能耗晶體管和電子學器件，克服芯片的發熱和能量損耗問題，從而有可能推動信息技術的進步。然而，普通量子霍爾效應的產生需要用到非常強的磁場（通常需要的磁場強度是地磁場的幾萬甚至幾十萬倍），應用起來非常昂貴和困難。而量子反常霍爾效應的最美妙之處是不需要任何外加磁場，因此，這項研究成果將會推動新一代的低能耗晶體管和電子學器件的發展，可能加速推進信息技術革命的進程。 未來電子高速公路
