如何评价薛其坤院士团队「量子反常霍尔效应的实验发现」获得 2018 年度国家自然科学奖一等奖？
撬动物理学大厦的“中国制造”——浅析薛其坤院士团队量子反常霍尔效应实验发现斩获国家自然科学一等奖
2018年的国家自然科学奖一等奖，颁给了薛其坤院士团队在量子反常霍尔效应（Quantum Anomalous Hall Effect, QAH）实验发现这一里程碑式的研究成果。这不仅仅是一项殊荣，更是对中国科学家在基础物理领域突破性贡献的高度认可。要评价这项成就，我们需要深入理解它背后的科学意义、实验难度以及它为中国乃至世界科学发展带来的深远影响。
一、 QAH效应：一场量子世界的“绝地反击”
理解QAH效应的重要性，首先要从它所处的物理学背景说起。在经典物理学中，霍尔效应是一个相对熟悉的现象：当电流流过置于磁场中的导电材料时，会在垂直于电流和磁场方向产生一个电压。而“反常霍尔效应”则是在磁性材料中，即使没有外加磁场，也会出现类似霍尔效应的现象，但这往往与材料本身的宏观磁化有关。
而“量子反常霍尔效应”，顾名思义，是在量子层面实现的、不依赖于外加磁场的反常霍尔效应。它的核心在于，在某些特殊的磁性拓扑绝缘体材料中，可以在低温下（通常是零下几百摄氏度）实现一种“无耗散”的导电状态。在这种状态下，电子沿着材料的边缘“单向流动”，并且几乎不会损失能量。这个“单向流动”的特性，就像是给电子铺设了一条无法掉头的“高速公路”，一旦开始，就会沿着既定的轨道永不停歇地前进。
这项效应最初是由美国理论物理学家张首晟教授等人在2007年提出的理论预测，它巧妙地结合了量子霍尔效应和拓扑学这两个前沿物理概念。理论预言QAH效应的出现，需要在材料的能带结构中具备特定的“拓扑性质”，并且材料本身需要具有铁磁性。然而，要真正观测到这个效应，却是一项极其艰巨的挑战。
二、 为什么说这项实验是“难上加难”？
理论的提出只是第一步，将理论转化为实验事实，往往才是最考验科学家智慧和毅力的环节。薛其坤院士团队之所以能够取得这一突破，离不开他们在以下几个方面付出的巨大努力：
1. 材料制备的“精雕细琢”： QAH效应的实现，对材料的纯净度和结构有着近乎苛刻的要求。团队瞄准了具有特定拓扑性质的磁性材料，例如（Bi,Sb)2Te3等碲化物。要制备出高质量、高质量的薄膜材料，需要在超高真空环境下，通过分子束外延（MBE）技术，一层一层地“生长”出原子尺度的薄膜。每一个原子层的厚度、成分、晶体结构都必须精确控制，稍有偏差，就可能导致材料失去所需的拓扑性质，或者引入杂质，阻碍QAH效应的出现。这就像是在纳米尺度上建造一座极其精密的建筑，任何一个环节的瑕疵都会导致整个建筑的崩塌。
2. 超低温和强磁场环境的“极限挑战”： QAH效应通常只在非常低的温度下才能显现，这需要先进的稀释制冷机才能达到几百毫开尔文（mK）的温度。同时，为了区分QAH效应与普通的量子霍尔效应，还需要精确控制磁场，甚至在某些实验中需要克服材料本身的铁磁性带来的“内禀磁场”。在这种极端环境下进行精确的电学测量，对实验设备的稳定性和操作的精密度提出了极高的要求。任何一丝的温度波动或磁场干扰，都可能淹没掉微弱的QAH信号。
3. 微弱信号的“精准捕捉”： QAH效应在实验中的表现，是一个非常微弱的量子现象。团队需要设计精密的测量方案，通过测量材料在不同温度和磁场下的霍尔电阻，来捕捉那些在零磁场下出现的、且与温度依赖关系不同的量子化平台。这就像是在喧闹的人群中，捕捉一个非常细微的声音，需要极高的灵敏度和抗干扰能力。
三、 斩获一等奖：不仅仅是对“发现”的褒奖，更是对“能力”的认可
薛其坤院士团队能够成功实现QAH效应的实验发现，并最终获得国家自然科学一等奖，其意义绝不仅仅是“发现了一个新现象”。更重要的是，它体现了：
原创性与引领性： QAH效应是我国科学家首次在量子世界最前沿的领域取得的原创性突破，并且在理论提出后，我国科学家是世界上最早通过实验证实这一效应的团队之一。这标志着中国在某些基础科学研究领域已经走在了世界的前列，具备了引领性。
多学科交叉融合的能力： QAH效应的研究，横跨了凝聚态物理、材料科学、表面科学、低温技术、精密测量等多个领域。团队的成功，证明了我国科学家能够有效地组织和协调多学科力量，攻克复杂的科学难题。
自主创新体系的强大生命力： 这一突破并非偶然，而是得益于国家在基础科学领域长期、持续的投入，以及我国在先进实验技术和高水平科研人才培养方面所取得的显著成就。它证明了我国自主创新体系的强大生命力，能够孕育出世界级的科研成果。
对未来科技发展的深远影响： QAH效应的发现，不仅在基础物理学上具有划时代的意义，更对未来的信息技术、量子计算、新型传感器等领域具有巨大的潜在应用价值。例如，QAH效应展现出的“无耗散”导电特性，有望为制造低功耗、高性能的电子器件提供新的思路。
四、 为什么说“它让中国制造”闪耀了科学殿堂？
过去，“中国制造”往往与“低端”、“模仿”联系在一起。然而，薛其坤院士团队的这项研究，是用“中国制造”的实验设备、在中国本土孕育出的原创理论和实验结果，向世界展示了中国科学家的原创能力和创新实力。它让“中国制造”这个标签，在基础科学领域也闪耀出了前所未有的光芒。
可以想象，当这项研究成果公布于世时，对于整个中国科学界而言，无疑是一种极大的鼓舞。它证明了，在最尖端、最前沿的科学探索中，中国科学家不仅是参与者，更是可以成为引领者。
总结而言， 薛其坤院士团队在量子反常霍尔效应的实验发现，是一项具有里程碑意义的科学突破。它以其深刻的理论内涵、巨大的实验挑战以及广阔的应用前景，赢得了2018年度国家自然科学奖一等奖的最高荣誉。这项成就不仅是对团队辛勤付出的最好肯定，更是中国在基础科学研究领域实现从“跟跑”到“并跑”乃至“领跑”的生动例证，为中国科技的未来发展注入了强大的信心和动力。这项“中国制造”的科学荣光，值得我们永远铭记和骄傲。
2018年的国家自然科学奖一等奖，颁给了薛其坤院士团队在量子反常霍尔效应（Quantum Anomalous Hall Effect, QAH）实验发现这一里程碑式的研究成果。这不仅仅是一项殊荣，更是对中国科学家在基础物理领域突破性贡献的高度认可。要评价这项成就，我们需要深入理解它背后的科学意义、实验难度以及它为中国乃至世界科学发展带来的深远影响。
一、 QAH效应：一场量子世界的“绝地反击”
理解QAH效应的重要性，首先要从它所处的物理学背景说起。在经典物理学中，霍尔效应是一个相对熟悉的现象：当电流流过置于磁场中的导电材料时，会在垂直于电流和磁场方向产生一个电压。而“反常霍尔效应”则是在磁性材料中，即使没有外加磁场，也会出现类似霍尔效应的现象，但这往往与材料本身的宏观磁化有关。
而“量子反常霍尔效应”，顾名思义，是在量子层面实现的、不依赖于外加磁场的反常霍尔效应。它的核心在于，在某些特殊的磁性拓扑绝缘体材料中，可以在低温下（通常是零下几百摄氏度）实现一种“无耗散”的导电状态。在这种状态下，电子沿着材料的边缘“单向流动”，并且几乎不会损失能量。这个“单向流动”的特性，就像是给电子铺设了一条无法掉头的“高速公路”，一旦开始，就会沿着既定的轨道永不停歇地前进。
这项效应最初是由美国理论物理学家张首晟教授等人在2007年提出的理论预测，它巧妙地结合了量子霍尔效应和拓扑学这两个前沿物理概念。理论预言QAH效应的出现，需要在材料的能带结构中具备特定的“拓扑性质”，并且材料本身需要具有铁磁性。然而，要真正观测到这个效应，却是一项极其艰巨的挑战。
二、 为什么说这项实验是“难上加难”？
理论的提出只是第一步，将理论转化为实验事实，往往才是最考验科学家智慧和毅力的环节。薛其坤院士团队之所以能够取得这一突破，离不开他们在以下几个方面付出的巨大努力：
1. 材料制备的“精雕细琢”： QAH效应的实现，对材料的纯净度和结构有着近乎苛刻的要求。团队瞄准了具有特定拓扑性质的磁性材料，例如（Bi,Sb)2Te3等碲化物。要制备出高质量、高质量的薄膜材料，需要在超高真空环境下，通过分子束外延（MBE）技术，一层一层地“生长”出原子尺度的薄膜。每一个原子层的厚度、成分、晶体结构都必须精确控制，稍有偏差，就可能导致材料失去所需的拓扑性质，或者引入杂质，阻碍QAH效应的出现。这就像是在纳米尺度上建造一座极其精密的建筑，任何一个环节的瑕疵都会导致整个建筑的崩塌。
2. 超低温和强磁场环境的“极限挑战”： QAH效应通常只在非常低的温度下才能显现，这需要先进的稀释制冷机才能达到几百毫开尔文（mK）的温度。同时，为了区分QAH效应与普通的量子霍尔效应，还需要精确控制磁场，甚至在某些实验中需要克服材料本身的铁磁性带来的“内禀磁场”。在这种极端环境下进行精确的电学测量，对实验设备的稳定性和操作的精密度提出了极高的要求。任何一丝的温度波动或磁场干扰，都可能淹没掉微弱的QAH信号。
3. 微弱信号的“精准捕捉”： QAH效应在实验中的表现，是一个非常微弱的量子现象。团队需要设计精密的测量方案，通过测量材料在不同温度和磁场下的霍尔电阻，来捕捉那些在零磁场下出现的、且与温度依赖关系不同的量子化平台。这就像是在喧闹的人群中，捕捉一个非常细微的声音，需要极高的灵敏度和抗干扰能力。
三、 斩获一等奖：不仅仅是对“发现”的褒奖，更是对“能力”的认可
薛其坤院士团队能够成功实现QAH效应的实验发现，并最终获得国家自然科学一等奖，其意义绝不仅仅是“发现了一个新现象”。更重要的是，它体现了：
原创性与引领性： QAH效应是我国科学家首次在量子世界最前沿的领域取得的原创性突破，并且在理论提出后，我国科学家是世界上最早通过实验证实这一效应的团队之一。这标志着中国在某些基础科学研究领域已经走在了世界的前列，具备了引领性。
多学科交叉融合的能力： QAH效应的研究，横跨了凝聚态物理、材料科学、表面科学、低温技术、精密测量等多个领域。团队的成功，证明了我国科学家能够有效地组织和协调多学科力量，攻克复杂的科学难题。
自主创新体系的强大生命力： 这一突破并非偶然，而是得益于国家在基础科学领域长期、持续的投入，以及我国在先进实验技术和高水平科研人才培养方面所取得的显著成就。它证明了我国自主创新体系的强大生命力，能够孕育出世界级的科研成果。
对未来科技发展的深远影响： QAH效应的发现，不仅在基础物理学上具有划时代的意义，更对未来的信息技术、量子计算、新型传感器等领域具有巨大的潜在应用价值。例如，QAH效应展现出的“无耗散”导电特性，有望为制造低功耗、高性能的电子器件提供新的思路。
四、 为什么说“它让中国制造”闪耀了科学殿堂？
过去，“中国制造”往往与“低端”、“模仿”联系在一起。然而，薛其坤院士团队的这项研究，是用“中国制造”的实验设备、在中国本土孕育出的原创理论和实验结果，向世界展示了中国科学家的原创能力和创新实力。它让“中国制造”这个标签，在基础科学领域也闪耀出了前所未有的光芒。
可以想象，当这项研究成果公布于世时，对于整个中国科学界而言，无疑是一种极大的鼓舞。它证明了，在最尖端、最前沿的科学探索中，中国科学家不仅是参与者，更是可以成为引领者。
总结而言， 薛其坤院士团队在量子反常霍尔效应的实验发现，是一项具有里程碑意义的科学突破。它以其深刻的理论内涵、巨大的实验挑战以及广阔的应用前景，赢得了2018年度国家自然科学奖一等奖的最高荣誉。这项成就不仅是对团队辛勤付出的最好肯定，更是中国在基础科学研究领域实现从“跟跑”到“并跑”乃至“领跑”的生动例证，为中国科技的未来发展注入了强大的信心和动力。这项“中国制造”的科学荣光，值得我们永远铭记和骄傲。
网友意见
一个拿奖拿到手软的成果。
两分钟看懂量子反常霍尔效应 https://www.zhihu.com/video/1065944365754736640想邀请 @中科院物理所 来答……我们先来个两分钟的视频看看吧~
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