清華大學和中科院物理研究所近期在京宣布：由清華大學薛其坤院士領銜，清華大學物理系和中科院物理研究所聯合組成的實驗團隊最近在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，首次觀測到量子反常霍爾效應。

“這一成果預示著一個新時代的來臨！對于基礎物理學來說，觀察到量子反常霍爾效應讓研究新的量子系統成為可能。”英國牛津大學物理系講師索斯藤·赫斯耶達爾所評價的是“中國科學家首次發現量子反常霍爾效應”。

解決電腦發熱問題有了希望

說到量子反常霍爾效應，得先從量子霍爾效應說起。薛其坤舉例說，電子在芯片里的運動基本上可以類比為高級跑車在集市中運動，它們在非常雜亂無章的環境下到處碰撞、改變方向，既走了彎路，又會造成發熱，效率降低，這也是目前晶體管發熱、電腦用久了發燙的重要原因之一。

“量子霍爾效應則可以對電子運動制定一個規則，讓它們在各自跑道上前進，就好比一輛高級跑車，在量子霍爾效應下在高速路上前進。”薛其坤用一個形象的比喻進行解釋。

然而，量子霍爾效應的產生需要非常強的磁場，不但價格昂貴，而且體積龐大，不適合個人電腦和便攜式計算機。

“量子反常霍爾效應不需要外加磁場，因此在應用方面比此前發現的量子霍爾效應要方便得多，可以推動新一代的低能耗晶體管和電子學器件的發展，解決電腦發熱等問題。”薛其坤說。

“諾貝爾獎級”的科研成果

1980年德國科學家馮·克利青發現整數量子霍爾效應，1982年美國科學家崔琦和施特默發現分數量子霍爾效應，這兩項成果分別于1985年和1998年獲得諾貝爾物理學獎。

物理學家認為，量子霍爾效應家族中也應該存在量子反常霍爾效應。但如何使其現身并在實驗上觀測到成為近些年物理學家探索的重要難題之一。

“此次成果是從中國的實驗室里，第一次發表出了諾貝爾獎級的物理學論文，不僅是科學界的喜事，也是整個國家的喜事。”物理學家楊振寧在該成果的發布會上如是評價。

在團隊成員教授張首晟看來，“量子反常霍爾效應或將帶來信息技術的革命，我國科學家為國家爭奪了這場革命中的戰略制高點”。

為什么是中國科學家？

贏得如此高的贊譽，并不容易。

要在實驗上實現反常霍爾效應的量子化需要拓撲絕緣體材料同時滿足3項非常苛刻的條件，這對實驗物理學家來講是一個巨大的挑戰。“這就如同要求一個人同時具有短跑運動員的速度、籃球運動員的高度和體操運動員的靈巧，其難度可想而知。”薛其坤說。

德國、日本、美國的科學家由于無法在材料中同時滿足這3點而未取得最后的成功。

“為什么會是中國科學家先取得成功？”楊振寧在發布會上拋出了這樣的問題。在他看來，“這與中國文化有關系。比如中國傳統文化中的團隊精神和勤奮等”。

說到勤奮，清華大學教授、中科院院士朱邦芬講了一個小例子：“我有一次和薛其坤出差，飛機到北京已經快晚上12點了，他還要到實驗室去看學生在做什么，有沒有新發現。”

“該成果的獲得是中國科學家長期積累、協同創新、集體攻關的一個成功典范。”在清華大學提供給記者的材料中的這個表述，也許可以回答楊振寧的提問。