70年来首位中国人，薛其坤荣获世界最高奖

云启霞蔚

导读：

北京时间2023年10月24日，美国物理学会（American Physical Society）宣布，中国科学院院士、清华大学教授、南方科技大学校长薛其坤获得2024年度的巴克利奖（2024 Oliver E. Buckley Condensed Matter Physics Prize）。

这是该奖自1953年授奖以来，首次颁发给中国籍物理学家。

巴克利奖是什么？薛其坤院士何以成为70年以来首位中国籍获奖者？

今天，让我们走进这一“世界首次”的背后。

什么是巴克利奖？

巴克利奖于1952年设立，由美国电话电报公司贝尔实验室（AT&T Bell Laboratories）捐赠。1953年，巴克利奖首次授奖，此后每年颁发一次，通常授予一人，但也可以由多人共享。

图1 ：贝尔实验室

巴克利奖由美国物理学会每年颁发，旨在表彰和鼓励领域内的杰出理论或实验贡献，评选标准强调必须是凝聚态物理领域“最重要”的贡献。

1953年和1954年，前两届巴克利奖分别授予了晶体管的发明人William Shockley和 John Bardeen，以表彰他们在半导体物理学方面作出的重要贡献。

如今晶体管已经成为现代电器中最关键的元件之一，推动了计算机产业的蓬勃发展。

此后，巴克利奖多次授予凝聚态物理领域的重大突破，它也凭借严格的评选标准和高度科学性，被认为是国际凝聚态物理领域的最高奖。

图2： Shockley（前）、Bardeen（中）和Brattain（右）在贝尔实验室

巴克利奖设立至今，仅有寥寥几位华人物理学家曾获得该奖。

例如，1984年，崔琦凭借“发现分数量子霍尔效应”，成为首位获得巴克利奖的华人科学家。

进入本世纪以来，著名华人科学家沈志勋、张首晟和文小刚曾获得该奖。

此次，薛其坤院士获得巴克利奖，成为该奖项获得者中第一位中国籍的科学家，是中国科学家对世界物理学作出贡献的典范。

薛其坤获巴克利奖，实至名归

量子反常霍尔效应是此领域研究的重大科学目标之一，巴克利奖曾多次授予与量子霍尔效应有关的发现。

2012年底，薛其坤团队在实验上取得重大突破，在美国物理学家霍尔于1881年发现反常霍尔效应的131年后，终于实现了反常霍尔效应的量子化。

这是我国科学家从实验上独立观测到的一个重要物理现象，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。

什么是量子反常霍尔效应？

首先，从霍尔效应讲起。

霍尔效应是美国物理学家霍尔（Edwin Hall）于1879年发现的一个物理效应。在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，由于洛伦兹力的作用，电子的运动轨迹将产生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压，这个电磁输运现象就是著名的霍尔效应。

图4： 霍尔效应

1881年，霍尔在研究磁性金属的霍尔效应时发现，即使不加外磁场也可以观测到霍尔效应，这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。

反常霍尔效应与普通的霍尔效应在本质上完全不同，它是由于材料本身的自发磁化而产生的，是一类新的重要物理效应。

同时，既然存在有霍尔效应的量子化版本——量子霍尔效应，那么。也应该存在反常霍尔效应的量子化版本——量子反常霍尔效应。量子反常霍尔效应如果实现，将意味着可以在零磁场下实现量子霍尔效应。

因此，在发现整数量子霍尔效应以及分数量子霍尔效应后不久，科学家便开始去尝试探寻量子反常霍尔效应的存在。

然而，这项世界难题曾多年悬而未解，加之量子反常霍尔效应在应用方面的重要性，从理论研究和实验上实现量子反常霍尔效应成为凝聚态物理学家追求的目标。

推动量子霍尔效应研究前进一大步

自1988年开始，就不断有理论物理学家提出各种方案。然而，反常霍尔效应的量子化需要材料的性质同时满足三项非常苛刻的条件，这就如同要求一个人同时具有短跑运动员的速度、篮球运动员的高度和体操运动员的灵巧：材料的能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态，即一维导电通道；材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应；材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献，只有一维边缘态参与导电。

在实际的材料中，实现以上任何一点都具有相当大的难度，更何况要同时满足这三点。来自美国、德国、日本等国的科学家均未取得最后的成功。

图5： 量子反常霍尔效应的原理示意图

2012年底，由薛其坤院士领衔的团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应，成为凝聚态物理领域的重大进展。该成果于2013年3月在《科学》杂志在线发表。

此后，薛其坤团队的研究成果也得到了国内外科学界的广泛认可。

2019年，薛其坤获得2018年度国家自然科学奖一等奖；

2020年获菲列兹·伦敦奖，成为该奖设立以来首个获得这一荣誉的中国科学家。

同时，薛其坤团队还收获了多种奖项——团队成员马旭村获中国青年女科学家奖，王亚愚获中国物理学会“黄昆物理奖”，何珂获日本“仁科芳雄亚洲奖”……

图3 ：薛其坤院士与团队成员

有望引起信息技术新革命

量子霍尔效应具有广阔的应用前景，可以用于制备低能耗的电子器件。例如，如果把量子霍尔效应引入计算机芯片，将会克服电脑的发热和能量耗散等问题。

然而，由于普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场（通常需要的磁场强度是地磁场的几万甚至几十万倍），应用起来非常昂贵和困难。

如果能在实验上实现零磁场中的量子霍尔效应，我们就有可能利用其无耗散的边缘态发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件。薛其坤团队的研究成果有望使这一期待变成现实。

中国科学家团队持续攻关国际科技难题

自2009年起，在薛其坤院士的带领下，由清华大学物理系、中国科学院物理研究所的四个研究组组成的实验团队，同中国科学院物理研究所、美国斯坦福大学的研究组组成的理论团队，开始向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。

在近四年的时间里，团队生长和测量了超过1000个样品，一步步克服了重重障碍。团队利用分子束外延的方法生长了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜，将其制备成输运器件并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。他们发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2~ 25813欧姆。这是世界范围内，首次在实验上发现量子反常霍尔效应。

图6 ：量子反常霍尔效应的实验发现的最终测量样品和数据

2014年至2016年，东京大学、加州大学、麻省理工学院、普林斯顿大学先后重复验证这一发现。

在瑞典皇家科学院编写的《2016年诺贝尔物理奖科学背景介绍》中，将此发现列为拓扑物质领域代表性的实验突破，得到了最权威评价机构的高度认可。

薛其坤团队在获得成功后并未止步不前，而是继续探索未知。

2015年，团队实现量子反常霍尔效应零电导平台的首次观测。

2017年，团队将量子反常霍尔效应观测温度提高了一个数量级，并首次实现量子反常霍尔效应多层结构。

2018年，团队与合作者首次实验发现一种内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4，开启了一个国际上新的热点研究方向。

如今，研究团队每天仍然花费大量的时间在实验室中，不断去尝试构筑新奇的量子物态和结构，期待能够发现更多有趣的量子效应。

图7： 薛其坤院士在实验室

“获得巴克利奖，说明我们中国的成果已经得到了美国物理学界、世界物理学界的高度认可，说明我们这个成果经过10多年的发展，经受住了科学的考验。”

薛其坤院士说，量子反常霍尔效应的实验发现是在国家改革开放40多年来国民经济发展和社会进步的积累之下，中国科学家在基础研究上取得的重要成果。“

经过改革开放40多年，像我们这样的成果的产生，不但反映了经济的进步，同时反映了我们的科学研究也逐渐进入世界舞台中央。”

薛其坤院士相信，在未来，中国的基础研究将有更多的具有重大突破意义的成果涌现。

我们国家的科学研究也将以习近平总书记提出的“打造人类命运共同体”的理念为指引，为人类社会的发展、为人类的科学进步作出贡献。