|
今天，我给大家汇报的题目是“神奇的量子世界”，包括三个方面：
我们每天生活的宏观世界大家都非常了解。描述宏观世界经典物理学规律的基本规律就是牛顿力学，即牛顿的三大定律，最重要的是牛顿运动方程。在经典世界还有一个电磁学的经典规律，就是欧姆定律。导线中通过的电流与加在导线两端电压V成正比，与导线电阻成反比。这个电阻会导致我们导线发热，发热的大小热量Q等于电流平方乘以电阻和用的时间T。如果导线电阻越大消耗能量越多，所以我们一般会选择比较便宜的铜线。金导电很好，电阻非常小，但是金很贵，都用来给女士们做戒指了。 但到了量子力界，牛顿运动方程不再起作用，而是波动方程起作用。从连续的变化到量子的微观世界，我们很多的物理量，很多的操作器件用的参数都和经典的世界不一样，这时候会出现一系列奇妙的现象，甚至是诡异的现象。 第一个已经用到我们生活里的就是电子穿墙术。这时电子的流动不再遵守欧姆定律。这就像一个人，把我变成一个微观电子，我会穿过铜墙铁壁到外边去，而我这个人毫发无损，在量子力学上这叫电子的量子隧穿。还有我们今天获奖的内容之一，量子霍尔效应、超导、超流。 1981年的时候，由瑞士两个科学家 Binnig和Rohrer，利用电子量子隧穿发明了扫描隧道显微镜，五年之后的1986年他们获得了诺贝尔物理奖。 扫描隧道显微镜STM给我们提供了一个强大观察微观世界最明亮的眼睛，我们可以看到原子。想研究微观世界的量子世界必须有合适的工具，扫描隧道显微镜就是这样一个工具，而它依据的原理就是我刚才提到非常诡异的电子穿墙术。我用的主要实验工具之一就是这个用到神秘的量子隧穿原理的扫描隧道显微镜。 我们用量子现象给我们微观世界研究提供了非常强大的武器。在量子世界，有时候多一个原子少一个原子都不行，我们怎么能做出这种材料呢？大家都知道我们信息技术高速发展到今天，最根本的是材料，就是要做出非常高质量的半导体材料，我们只有做出非常高质量的半导体材料，我们才能在量子世界有所作为，如果材料不可控，我们研究会变的不可控，我们对电子器件的性能也会变的不可控。在量子世界上，我们追求材料纯度是无止境的。如果10亿个硅原子排列成晶体，中间有一个杂质，相对于绝缘的硅，其电阻会变成三个量级，达到3000倍的变化。这要求我们研究量子世界时，对材料控制要达到非常高的水平，这就需要非常强大的制备量子材料、探索量子世界强大的实验工具。这方面也是我非常熟悉的工具之一就是分子束外延，这是上世纪七十年代、出生在北京的华人物理学家卓以和先生在美国贝尔实验室和他的同事J.Arthur先生开发的。量子世界多一个原子嫌多，少一个量子嫌少。用分子束外延技术就可以在量子世界达到这一境界，可以大有作为，我们可以做出最高质量的薄膜样品，做到化学成分严格的可控。 我1992年开始学习扫描隧道显微镜和分子束外延技术，二十多年了一直在这个领域里学习、探索，并且有所发展，能升级改造。后来我还学习使用了另一个强大的工具——角分辨光电子能谱。把这三个非常顶尖的技术在超高真空结合在一块，就有了这么一个如图所示的更强大的武器，这使我们研究量子世界时有了“金刚钻”。
有了这个强大的武器，作为研究组的组长，作为一个科学家，有了这个功底以后你要做什么呢？当时，在2005年的时候，我就选择我所在的凝聚态物理的非常重要的方向，即拓扑绝缘体和高温超导。这两个刚好是今天论坛后面要研讨的话题——挑落欧姆定律的量子现象和应用展望。
让我们回顾一下过去。1879年美国物理学家霍尔发现霍尔效应，就是在磁场下材料的霍尔电阻随着磁场会线性增加的效应。加的磁场越大，电阻会越大，这叫霍尔效应，这是外加磁场造成的。如果我把这个材料换成一个磁性的材料，用材料本身产生的磁场也会产生霍尔效应，因为它行为不需要外加磁场，原理不一样，所以名字叫反常霍尔效应。这是霍尔在1年多里发现的两个重要的现象。到了1980年，100年后，德国物理学家在研究我们集成电路硅器件时发现了整数量子霍尔效应，这个效应再次展现了量子世界的奇特。1982年，把材料再换一下，换成砷化镓，就是做激光笔的半导体材料的时候，美国三个科学家发现了分数量子霍尔效应。1983年发现了拓扑物态，这是随着科学发展的另一个进展。1985年德国科学家克利青因为整数量子霍尔效应的发现获得了诺贝尔物理奖。1998年，三个美国物理学家，包括华人物理学家崔琦先生，因发现分数量子霍尔效应获得1998诺贝尔奖。大家更加熟悉石墨烯，石墨烯是2005年发现的，因半整数量子霍尔效应，发现者在2010获得诺贝尔奖。所以从霍尔效应到霍尔效应的量子化，不管是在硅中，砷化镓中还是石墨烯中，都因为这种奇特的量子效应而斩获诺贝尔奖。 刚才我讲的这里，涉及到一个基本的参量-物理量，就是磁场，只有加磁场才会出现这个平台，才会出现这个霍尔效应。这个磁场有多大呢，是非常的大，要10个特斯拉，要产生这个磁场的话，所需的仪器比人还高，造价几百万，所以要达到这个量子化需要非常昂贵的仪器。我再提醒一遍，刚才我讲的是霍尔电阻出现了量子化，但是欧姆电阻在量子霍尔态下等于零，欧姆电阻造成器件发热，如果处在量子霍尔态，欧姆电阻变成零的话，这不是开创了一个发展低能耗器件、未来信息技术非常好的方向吗？但是，由于昂贵的强磁场仪器很难把这个作为应用。你自然就问，刚才提到有反常霍尔效应，它是不需要磁场的，是靠材料本身磁场就能造成霍尔效应嘛，能不能实现反常霍尔效应的量子化？这个于2013年（也是这次获奖的重要内容之一），我们这个团队，在清华大学的团队和科学院物理研究所合作，加上与斯坦福大学张首晟教授合作，最后一起，经过133年以后在反常霍尔效应的量子化上做出了重大的实验发现。之所以我花比较长的时间解释量子霍尔效应神奇的地方，包括在这样一个神奇道路上一系列诺贝尔奖的产生，就是因为这太重要了。 2013年的时候，在座的都清楚，我们国家经过三十多年的改革开放，国家对科学的重视，像科学大奖的捐款人一样，国家对科学技术的投入增大，这才使得我们有科学利器，最后做出了这样一个成果。我这次获奖的重要内容是实现了量子反常霍尔效应，其实现经过了133年的历程。随着国家的科学发展、我们国家的强大，我们才走到了今天。从这个角度去看还是非常的不容易。
再说下去就是今年的诺贝尔物理奖。1983年提出拓扑相变和拓扑物态的理论，三位科学家获得了今年的诺贝尔物理奖。在今年诺奖评奖委员会内容介绍中，他们把我们的量子反常霍尔效应作为拓扑物质相最重要的发现写进去了。虽然我们做出的量子反常霍尔效应不是沿着当时理论框架做出来的，但是我们非常自豪，因为这次是作为最重要的拓扑物质相或者拓扑物质态写在了上面。这说明我们实验工作水平已经达到了这个地步，也可以说我们的实验发现大大推动了部分理论物理学家拿到了这个奖。
我们怎么做出的量子反常霍尔效应呢？这得益于我们国家的经济发展。2005年的时候，我们实验室已经有了非常好的技术条件，这时候，华人物理学家张首晟和其他美国物理学家，在我刚才提到的八十年代诺贝尔奖工作的基础上，他们直接把拓扑物质相的材料，通过另一个途径提出来了。当然，这是科学上一个巨大的跳跃，尽管他们今年是奖励给更早期的工作。这个图就是他们提出的拓扑绝缘体包括磁性拓扑绝缘体： 左边是我们用量子力学能简单解释的一般的绝缘体。比如碗，它是绝缘的，右边是一个导体，它是金碗，是导电的，用量子力学可以解释这两个为什么不一样。什么是拓扑绝缘体？拓扑绝缘体也是一个很神奇的量子现象，它就像一个陶瓷碗上镀了一层非常薄（大概一纳米厚）的薄膜。有意思的是，这个金膜你弄不掉，你把金膜用刀刮掉它马上会自发的产生新的金膜，你再挂掉，甚至刮的再厚一点，你把它砍掉，厚度减小一半，它还是存在。你把它打成碎片也没用，它还是存在，除非把这个材料彻底分解变成原子，否则这一层金膜就会永远像鬼一样附在陶瓷碗的表面。磁性拓扑绝缘体也很神奇，刚才提到，这层金膜去不掉，但通过在材料中引入磁性，我们就可以把大部分地方的金膜自动的去掉，只剩下边缘部分，边缘上的金膜也是搞不掉的。这是2005年从理论上发现的拓扑绝缘体。 这里我还有一个小故事跟大家分享。人有很多机遇，2005年理论提出时，我们刚开始并没有关注。2008年我们才进入这个领域，是因为我们意识到张首晟和物理所方忠等提出的材料非常适合于我们的分子束外延技术后才进入这个领域。由于我们有好的实验技术，有二十多年的积累，很快出了成果。这个成果让我的好朋友张富春教授知道了。他在2009年6月份组织了新前沿科学方向的拓扑绝缘体论坛，邀请我去介绍我们的初步结果，正好张首晟也在这个会议上。原来张老师一直在寻找一个合适的实验合作者。因为这次会议，我们两位从理论和实验上进行了密切的合作，最后导致了量子反常霍尔效应的发现，所以有好朋友非常重要。 2008年：我们建立了精确控制化合物拓扑绝缘体的分子束外延生长动力学；2009-2010年：证明拓扑绝缘体刚才那层金膜是受时间反演对称性保护和无质量狄拉克费米子特性；2011-2012年：制备出刚才我们谈到的磁性的拓扑绝缘体；2012年10月发现量子反常霍尔效应，12月完成所有实验，在2013年4月发表。
量子世界不好对付，这不是最难的，量子反常霍尔效应最大的挑战是要制备出有磁性的、还要有拓扑性质的、还要绝缘的薄膜，而且我们不知道薄膜该多厚。我做一个形象的比喻，这个材料性质就好比要求一个人你要有短跑运动员的速度，像博尔特一样跑得那么快，同时你还要非常有力量，你还要有体操运动员的技巧，要想做到三不像，很难。我们的量子反常霍尔效应需要的材料就是这样，所以这是非常大的挑战。 还有其它挑战。为了做量子反常霍尔效应的测量，为了用宏观电子设备进行测量，需要在一厘米见方物体上，像指甲盖大小，在上面生长5纳米厚非常均匀的薄膜。这首先是个技术活，是个工匠活，这也很难。做一个比喻，相当于你要做一张A4纸，这个A4纸是200公里见方。我们把A4纸做得很均匀没问题，像计算机屏幕大没问题。如果你水平高，把A4纸做的像我们房间这么大，而且很均匀，没问题。再大就有问题了，像北京市这么大的面积的A4纸，在门头沟区和朝阳区的厚度完全是一样的，这就不容易了。用分子束外延我们做出了这个材料，这克服了一系列的挑战。
由于刚才一系列的挑战，我们花了四年多的时间，即使我们刚开始的起点非常高也花了四年的时间。这是量子反常霍尔效应电阻随着时间的变化。2010年到2011年，一年之内电阻几乎是零，样品全部是导电的。而我们要实现量子化电阻应该是h除以e一的平方，它对应的电阻值是25812欧姆.前面几年做出来的几乎是零，又花了半年多提高了几百欧姆，离我们两万多欧姆差的非常非常远。中间有很多的放弃，最后，功夫不负有心人，由于我们的坚持，在2012年10月12日那天转机出现了。那一天因为情绪不好，没有进展就早回家了。刚停下车，我学生的短信就来了，是10：35分。他说，薛老师，量子反常霍尔效应出来了，等待详细测量。我过去一个多月的郁闷一下子消失的一干二净，一晚上兴奋的没有睡着觉。当时他看到的图就是中间的这个数据。 大家看到，红线靠近屋顶，到了屋顶就是量子化。更重要的是，黑线欧姆电阻在这个点上同时下降了。以前两个都是一起上升，要不就是一起下降。这是最重要的量子反常霍尔效应的迹象，所以非常兴奋。当时测量的温度是1.5K，是王亚愚老师、我们的实验合作者实验仪器的最低工作温度。这时候，我找到以前在科学院物理所工作时的同事吕力老师，他有温度低到几十毫K的仪器。把我们的材料放这个仪器测量，二个月之后实现了量子化。这是诺贝尔奖评选委员会在整个文章中引用的最重要的一个相关实验数据我认为就是我们这张图。我当时比较有信心，知道最后那天会完成实验。我提前在机场买了瓶非常好的香槟酒。那天，所有实验完成后，我们团队所有成员一起照了个相。学生们虽然用的是纸杯子，但是装的是Dom Perignon——最好的香槟。 刚才我已经谈了量子反常霍尔效应。是全新的效应，是不需要外加磁场的量子霍尔效应，所以它提供了一个不需要外加磁场的欧姆电阻等于零的信息高速公路。我们平常的电子器件如晶体管如果变的非常小，那里的电子像我们在交通拥挤路口的汽车一样，而处在量子反常霍尔效应的电子像高速公路的汽车一样。它们按照自己的轨道勇往直前，绝对不走回头路。所以，为未来信息技术发展，量子反常霍尔效应提供了全新的原理，使我们可以做出低能耗的量子器件，还可以用它和超导一起做量子计算。
超导现象也是非常奇特的量子现象，1911年由一个荷兰科学家发现，两年以后，他因这个重大发现获得了诺贝尔物理奖。大家知道，对大部分材料来讲，如果降温的时候，它的电阻会一直的下降。对绝大部分材料，即使降到绝对零度还剩有一点电阻。另一种材料，当降到某个特定的温度——转变温度，电阻会变成零，所以这是超级导电，欧姆定律也不适用了，而且它有完全的抗磁性。如果我们用这么一个超导体做一个圆环，通上电，一直使它处于超导，这个电流会永远永远地流下去。因为电阻等于零，按照欧姆定律，刚才我们提到发热的问题就解决了。电阻等于零，它产生的热量也等于零，所以这是非常重要的现象。如果我们在室温下实现了，这意味着我们电子器件一旦供上电就永远不用管它。室温下的超导将和电的发明一样重要。大家可以想像，导线没有电阻了，所有的电子器件，所有的输电线路，都会大大的降低能耗。因为这种现象非常的神奇，光超导这个领域就五次拿到诺贝尔奖，1913年、1972年、1973年、1987年，2003年。超导研究总体的路子，不说大家也知道，就是怎么提高材料达到超导状态的温度。大部分材料达到超导要温度非常低，一般是液氦温度以下。液氦温度大概是4K，如果材料工作在液氦温度要花非常大的能量。第二个非常重要的温度就是77K,这是非常重要的温度点。为什么，77K就是咱们的液氮温度。如果你找到77K就可以实现超导状态的材料的话，你把你的材料泡到液氮了，可以实现我们刚才说的综合的应用。液氮很便宜，每升4块钱，就是两瓶矿泉水，你少喝点矿泉水，这就有这样经济价值了。但是，若大部分应用要用液氦，液氦每升100块钱，一般仪器每天要用10升，那就需要1000块钱，所以你的仪器每天要喝一瓶茅台，你用不起。提高超导转变的温度，是超导专家梦寐以求、一直追求的目标。结果，这个事件发生在1986年，瑞士的科学家发现超过77K温度的高温超导现象，1986年发现，1987年拿诺贝尔奖。我讲拓扑相变是1983年就提出了这个理论，过了二十几年到今年才拿诺贝尔奖。他们是1986年发现，第二年就拿奖。因为在液氮里，做出的新一代电子器件可以工作。它的机理在哪里？科学的机理在哪里？三十年过去了，一塌糊涂。今年1月份有一个美国科学家评述这方面的理论，他说了一句话。他说至少有14个诺贝尔奖，包括成千上万的物理学家都在这个领域工作，都提出了理论、模型和想法，大部分都非常有意思，但是互相矛盾，他把他们俩发现的铜氧化物超导机制的解决称之为物理的巨人之战。到现在还没解决。
我在2008年的时候，忽然有一天，我有一个想法，能不能用中国鱼与熊掌兼得的策略解释77K这个温度下的超导现象？但是我不确定，因为我对高温超导了解不多。我，2008年6月6日，请我两个好朋友，北大的谢心澄老师和当时在香港大学的张富春老师来京，他们两个都是超导专家，张富春是在高温超导发现以后水平最高的科学家之一，我说，我这个理论，你们告诉我值不值得做，对还是不对。开了半天的会，因为都是好朋友，我猜测他们可能知道我不对，但是没好意思说。晚上吃饭的时候，他们说了这样一句话：想法可能很好，但是你还是用实验证据证明最好，没有这个可能很难办。结果我们又花了四年，2012年在《中国物理快报》做出了鱼与熊掌的东西，单层原子厚的铁硒，长在这个材料上。可以看到，中间这张照片告诉我们材料质量非常高，而且有一个非常大的超导能隙，期盼以久让我有不眠之夜的现象，看到了我想要的现象。后来跟我的学生北京大学王健，上海交大贾金锋，清华大学王亚愚，复旦大学封东来，斯坦福大学Moller，中科院物理所周兴江、丁洪、赵继民，斯坦福大学沈志勋，东北大学高桥隆等等实验都表明，这是在1986年77K以上的铜酸盐氧化物后第一个高温超导物质，虽然还需要进一步证实。一个美国科学家说我们确实开创了一个新的前沿，new frontier for superconductivity。 下面我就总结和谈谈感想。这一次大奖，我非常荣幸能作为第一个获奖人，这将对我以后的发展像注入了原子弹一样、核反应堆一样的动力。虽然我已经50多岁了，我现在的心年轻了20多岁，我会继续努力。这两个成果的获得，有以下几点体会：
虽然我当时的挑战权威的理论想法最后没有完全被证实，但是，在这时候，能敢于从现在理解的知识范围内产生一些完全创新的思想，这一点上你还是要有点勇气。当然，这要建立在前面的四项的基础上，你没有这个功底和水平，光有勇气不是胆大妄为就是无知无畏。
今天，我试图用半个小时跟大家展示一下量子世界是多么的奇妙，而且它对我们未来的技术，对于我们国家的经济发展，甚至国家的强大，量子力学、量子物理都会起到非常重要的作用。最后做一个展望：
最后，感谢我长期的伙伴贾金锋、马旭村、何珂、王立莉等，我的博士后，还有我的非常优秀的学生，实验合作者王亚愚、吕力等老师，理论合作者张首晟等。感谢国家给我们提供非常好的条件。最后再次衷心感谢未来论坛给我提供的机遇，感谢未来科学大奖科学委员会对我工作的评价，最后最衷心地感谢捐赠设立这个大奖的有识之士，他们给我们科学家注入了极大的正能量，我深深的感谢你们，谢谢大家！ 本文为2016年10月15日，薛其坤教授在未来论坛科技创新峰会上的题为《神奇的量子世界》的演讲 本文为2016年10月15日，薛其坤教授在未来论坛科技创新峰会上的题为《神奇的量子世界》的演讲。《赛先生》经微信公众账号“未来论坛”授权转载。 |
|
|
