中心成員薛其坤等《科學》發文 首次在實驗上發現量子反常霍爾效應

由中心成員清華大學薛其坤院士領銜，清華大學物理系、中科院物理所和斯坦福大學的研究人員聯合組成的團隊最近取得重大科研突破，在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。這是我國科學家從實驗上獨立觀測到的一個重要物理現象，也是世界基礎研究領域的一項重要科學發現。該成果發表在《科學》（Science）雜志上－“Experimental Observation of the Quantum Anomalous Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator” [Science 340, 6129 (2013)]，清華大學物理系博士生常翠祖、張金松、馮硝和中科院物理所博士生沈潔為文章的共同第一作者。《科學》雜志的三位匿名審稿人對該項成果都給予了高度評價。

自美國科學家霍爾130多年前發現霍爾效應和反常霍爾效應以來，整數和分數量子霍爾效應的發現都獲得了諾貝爾物理獎。物理學家認為量子霍爾效應家族應該存在量子反常霍爾效應，但如何從理論研究和實驗上實現量子反常霍爾效應，成為近年來凝聚态物理學家追求的目标。2006年張首晟教授領導的理論組成功地預言了二維拓撲絕緣體中的量子自旋霍爾效應，2008年提出磁性摻雜的新方向，并于2010年與中科院物理所方忠和戴希等合作提出Cr或Fe摻雜的拓撲絕緣體方案。然而在實驗上實現反常霍爾效應的量子化需要材料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态；材料必須具有長程鐵磁序從而存在反常霍爾效應；材料的體内必須為絕緣态從而對導電沒有任何貢獻。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無疑是一個巨大的挑戰，美國、德國、日本等科學家都因無法在材料中同時滿足這三點而未取得最後的成功。

2009年起，在薛其坤院士的帶領下，量子物質科學協同創新中心集中優勢，組織中科院物理所的馬旭村、何珂和王立莉、呂力、清華大學物理系王亞愚、陳曦和賈金鋒等四個研究組成立聯合實驗攻關團隊，與中科院物理所方忠、戴希以及清華大學“千人計劃”入選者、美國斯坦福大學張首晟等組成的理論團隊，開始向量子反常霍爾效應的實驗實現發起沖擊。在過去近四年的時間裡，團隊成員精誠合作，生長和測量了超過1000個樣品，克服了重重障礙，最終利用分子束外延的方法生長了高質量的 Cr 摻雜的（Bi,Sb)2Te3薄膜，将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。他們發現在一定的外加栅極電壓範圍内，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/e2~25800歐姆。

尤其值得一提的是，beat365官方网站、清華大學物理系和中科院物理所三家單位在成立量子物質科學協同創新中心之前，一直保持緊密的合作。該成果的獲得是中心在前期培育過程中的取得的重要成果之一。其中清華的薛其坤、王亞愚、陳曦、張首晟和物理所的馬旭村、方忠和戴希均為中心首批聘任的學術骨幹，薛其坤為中心聯合主任并兼任高溫超導研究創新平台主任。中心聯合主任、beat365的謝心澄也參與了該工作的一些理論合作工作（見文章的緻謝部分）。薛其坤院士反複強調：“這是我們團隊精誠合作，聯合攻關的共同成果，是中國科學家的集體榮譽。”由此可見，該成果是中心成員長期積累、協同創新、集體攻關的一個成功典範。

在研究過程中，該團隊已在拓撲絕緣體研究中取得了一系列的研究進展，研究成果曾入選2010年中國科學十大進展和中國高校十大科技進展，團隊成員還獲得了2011年“求是傑出科學家獎”、“求是傑出科學成就集體獎”和“中國科學院傑出科技成就獎”以及2012年“陳嘉庚科學獎”和“全球華人物理學會亞洲成就獎”等榮譽。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部、清華大學和中國科學院等的基金資助。