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诺奖级院士薛其坤和他的量子世界

2020-10-18 16:41| 发布者: 龙行天下| 查看: 89| 评论: 0|来自: 光子盒

摘要: 光子盒研究院出品一个月后,清华大学副校长薛其坤院士将代表中国荣获第一个菲列兹·伦敦奖。早在今年2月,菲列兹·伦敦奖评奖委员会就已经宣布薛其坤获奖的消息,但由于疫情的关系,奖项推迟到8月15-22日在日本札幌 ...

光子盒研究院出品


一个月后,清华大学副校长薛其坤院士将代表中国荣获第一个菲列兹·伦敦奖。早在今年2月,菲列兹·伦敦奖评奖委员会就已经宣布薛其坤获奖的消息,但由于疫情的关系,奖项推迟到8月15-22日在日本札幌召开的第29届国际低温物理大会上颁发。


因为在实验上发现量子反常霍尔效应薛其坤成为自1957年该奖设立以来,首个获得这一荣誉的中国科学家,第二个来自亚洲地区的科学家。




菲列兹·伦敦奖是国际公认的低温物理领域最高奖项,为纪念著名物理学家菲列兹·伦敦而设立,旨在奖励在低温物理领域做出杰出贡献的科学家。在过去63年间,共有50余位著名物理学家被授予这个奖项,其中12人次后来获得了诺贝尔物理奖。


薛其坤,这个硕士考了3次,攻读博士学位用了7年的人。35岁晋升教授,41岁成为中国科学院院士,49岁提出界面高温超导,50岁发现量子反常霍尔效应,56岁和57岁分别获得国家自然科学一等奖和菲尔兹·伦敦奖。


薛其坤团队发现量子反常霍尔效应,杨振宁认为这是中国实验室第一个诺贝尔奖级的物理学论文。如今,年近花甲的薛其坤院士再出发,领导新成立的北京量子信息科学研究院,推动量子技术走向实用化、规模化、产业化。


清华的7-11院士


1963年12月,薛其坤出生在山东沂蒙山区,物质条件匮乏,干农活是每天的必修课,周末采中药材,一天干三四个小时可以买一块橡皮或一支铅笔。


1980年,正值中国“科学的春天”,李政道、杨振宁这些在物理学界建有丰碑的人物回国演讲。在他们的感染下,许多最优秀的学生都报考了数、理、化专业,薛其坤是其中之一。


薛其坤发自内心地向往科学事业,“当一个科学家多么伟大”。但真正成为科学家,还要走很长的一段路。但他跟物理的默契早已达成,高考物理满分100,他考了99分,在班主任的建议下,他报了山东大学光学系激光专业并被录取,家里喜气洋洋地摆开了流水席。


告别了家人,薛其坤打点好行装,带着兴奋和期待,踏上了一段崭新的人生旅程。


薛其坤明白,走进大学校园不仅是实现了个人梦想,也不仅是承担着父母的期待,更有社会和国家的责任。从此,这位胸怀远大的理想与抱负的青年,在自己热爱的物理学领域里施展才华。


大学毕业那一年,他尝试考过一次研究生,高等数学只得了39分,没有成功。毕业后,他被分配到曲阜师范大学教书,但舒适的工作环境并没有让薛其坤打消成为科学家的念头,他决定报考中科院物理所研究生。


第二次考研,薛其坤又失败了,他引以为傲的大学物理竟然只考了39分。终于,在第三次备考时,经过充分准备的他成功收到了中科院物理所的研究生录取通知书。


1990年硕士毕业后,已经有了家庭和孩子的薛其坤选择了继续读博。但当时物理所的科研条件并不理想,他印象最深刻的就是实验仪器经常坏,博士两年过去了竟没有得到一套完整的能够用来撰写论文,完成博士学业的实验数据。


薛其坤院士


在困惑和煎熬中,“柳暗花明”的机会来了——1992年,在导师陆华的推荐下,他得到了一个中日联合培养到日本东北大学留学的机会。


说起在日本的经历,不得不提他的7-11生活。


1992年6月,薛其坤来到日本东北大学金属材料研究所学习。报到第一天,他的导师樱井利夫要求,无论刮风下雨,工作日必须早上7点到实验室,晚上11点离开。


除了必须调整到7-11工作节奏外,薛其坤还要忍受语言不通的精神折磨。由于听不懂导师的指令,他经常受到导师严厉批评。


有一次,他需要做一个20分钟的学术报告,可他却连一个完整的英语句子都讲不出来。他只好把要讲的每一个单词,每一句话一字不漏地把它写下来,他专门找了一个房间,进行了模拟练习,到他正式讲报告的时候,已经模拟练习了80多遍。


不少去日本学习的同学受不了这样的煎熬,又返回中国。薛其坤却从刚上学的儿子电话里背给他听的课文里找到了力量,“我是中国人,我爱自己的祖国……”


他选择留下来。他每天第一个到实验室,最后一个离开。渐渐地,导师的话能听懂了,实验仪器也会操作了,凭借扎实功底和超常付出,他最终在世界顶级学术期刊上发表论文,顺利拿到博士学位。


博士毕业之后,薛其坤的人生如同“开挂”一般。35岁,薛其坤当上了教授。41岁,他又成为中国科学院最年轻的院士之一。


1999年,薛其坤入选中科院“百人计划”,在7-11实验室工作8年之后回国,受聘中科院表面物理国家重点实验室主任。2005年,薛其坤加入清华大学物理系,同年又入选中科院院士。


早上7点进实验室,晚上11点才离开,这样的作息时间,薛其坤坚持了20多年。


清华大学的学生们亲切称呼他为7-11院士,也曾在心里较劲,想跟薛老师比比,看谁先到实验室、谁最后离开,然而多年来几乎无人能赢。


诺奖级科研成果


目前,薛其坤主要研究方向为扫描隧道显微学、表面物理、自旋电子学、拓扑绝缘量子态和高温超导电性等。发表文章400余篇,被引用超过14000余次。在国际会议上应邀做大会/主题/特邀报告150余次,其中5次在美国物理学会年会做邀请报告。


但他真正被外界熟知,是在发现量子反常霍尔效应之后——一个困扰了物理学界130多年的问题。


今天的我们已经知道,在普通导体中,电子的运动轨迹杂乱无章,不断发生碰撞,从而产生电阻发热等效果。这时候如果在垂直的方向加上外磁场,材料里的电子由于磁场的作用力会跑到导体的一边形成积累电荷,最终会达到平衡形成稳定的霍尔电压,这就是霍尔效应。


这一现象是美国物理学家霍尔(E.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机制时发现的:在室温下,电流垂直于外磁场通过导体时会发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在导体的两端产生电势差。


值得一提的是,发现霍尔效应时,霍尔只是一名研究生,而且电子尚未被发现(1897年由汤姆逊发现)。


在霍尔效应发现百年后,20世纪70年代末,科学家在极低温度和强磁场下,研究半导体的霍尔效应,发现了量子霍尔效应。当外磁场足够强,温度足够低,电子的运动可以变得高度有序,电子会在边界处沿着两个边界高速运动。


量子霍尔效应


量子霍尔效应于1980年由德国物理学家冯·克利青等人发现,因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。2005年,英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,在常温下观察到量子霍尔效应。他们于2010年获诺奖。


1982年,美籍华裔物理学家崔琦和美国物理学家劳克林、施特默在更强磁场下发现了分数量子霍尔效应,这个发现使人们对量子现象的认识更进一步,他们也因此获得了1998年的诺贝尔物理学奖。


分数量子霍尔效应对于拓扑量子计算的实现至关重要,目前科学家已经发现填充因子v=5/2的分数量子霍尔态里面的复合费米子(一种准粒子)同时不遵循费米统计和玻色统计,可能是非阿贝尔任意子(用于实现拓扑量子计算)。


有霍尔效应,也有反常霍尔效应。1880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。


量子霍尔效应发现后,物理学家进而提出: 反常霍尔效应是否能像霍尔效应那样,有对应的量子化版本,这又成为人们新的探索目标。为了实现量子反常霍尔效应,自1988年开始就不断有理论物理学家提出各种方案,然而在实验上没有取得任何重要进展。


薛其坤团队从一开始就在一个没有赛道的竞技场上发力。2009年,薛其坤院士了解国际上有理论预言可以在磁性拓扑绝缘体中寻找量子反常霍尔效应,于是他邀请了清华大学物理系王亚愚教授、何珂教授加入研究团队。


2006年,美籍华裔物理学家张首晟最先提出拓扑绝缘体概念,其内部是绝缘体,表面是能导电的金属。在此基础上,张首晟成功预言量子自旋霍尔效应(由两组自旋方向相反,运行方向也相反的边缘态组成,并且不需要外加磁场)。


2007年,德国伍尔兹堡大学的研究组在Hg Te/CdTe量子阱结构中,成功地观测到这种特殊边缘态的量子效应,从而在实验上证实了张首晟的预言。


至此,霍尔效应大家庭还剩下一个成员尚未发现。2010年,我国理论物理学家方忠、戴希与张首晟教授等共同提出,磁性掺杂的三维拓扑绝缘体可能是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。这时,薛其坤团队已经开始在实验上寻找量子反常霍尔效应。


量子反常霍尔效应意味着,在零磁场中,霍尔电阻跳变到约25800 Ω的量子电阻值。要实现这一不可思议的量子现象,需要实验样品必须同时满足4项非常苛刻的条件:


必须是二维系统(薄膜),从而具有导电的一维边缘态;需要处在绝缘相,从而对导电没有任何贡献;需要存在铁磁序,从而存在反常霍尔效应;需要非平凡的拓扑性质,从而使电子能带是反转的。


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、举重运动员的力量和体操运动员的灵巧。


历经四年努力,薛其坤带领由中科院物理所和清华大学组成的实验团队,用了5套世界最高水平的精密试验仪器,生长和测量了1000多个样品,终于利用分子束外延的方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,然后将其制备成输运器件,并在极低温环境下成功观测到了量子反常霍尔效应。


薛其坤记得很清楚,2012年10月12日晚上10点30分左右,那天他回家早了一点,刚回到家中,就收到了学生发来的短信,“量子反常霍尔效应的初步迹象已经被发现了,等待详细测量。”


薛其坤团队发现,在一定的外加栅极电压范围内,Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜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,世界难题得以攻克。


“霍尔家族”


薛其坤抑制不住内心的激动。在科学发现上,没有第二,只有第一,他坦言,“当发现一个科研成果时,你会很兴奋的,毕竟做了这么多年的努力,这是专利!如果第二个做出来就会大打折扣。”


美国《科学》杂志于2013年3月14日在线发表这一研究成果,引起学界巨大反响,杨振宁称赞其是诺贝尔奖级的成绩。但薛其坤院士强调说:“这是我们团队精诚合作、联合攻关的共同成果,是中国科学家的集体荣誉。”


量子反常霍尔效应研究团队


从理论上讲,薛其坤团队发现量子反常霍尔效应攻克了130多年的世界难题,《科学》杂志审稿人评价“这是凝聚态物理界一项里程碑式的工作”。


而从现实应用上讲,人类发明的所有电子器件都无法避免能量损耗,这是由电子的无序运动造成的。量子霍尔效应可以解决这个问题,但它的产生需要施加强磁场,相当于外加10个计算机大的磁铁,因此,造价昂贵、体积庞大等因素限制了其走向实际应用。


而量子反常霍尔效应的美妙之处是电子在不施加强磁场的情况下,按照固定轨迹运动,减少无规则碰撞导致的发热和能量损耗,能够用于发展新一代的低能耗晶体管和电子学器件。


采用这种技术设计集成电路和元器件,千亿次的超级计算机有望做成平板电脑那么大,智能手机的内存可能会提高上千倍。


正因为量子反常霍尔效应的发现意义非凡,薛其坤获得了2018年度国家自然科学奖项中的唯一的一等奖。迄今为止,获得国家自然科学一等奖的科学家不足40人。2020年,他荣获国际公认的低温物理领域最高奖项——菲列兹·伦敦奖。


目前,限制量子反常霍尔效应走向实际应用的重要因素是低温。这里就不得不提到薛其坤的另一项重要研究——高温超导,他在2008年就启动了这项重大实验项目。他说,如果人类实现了高温(室温)超导,它的意义不亚于电的发明。


领导北京量子院


在提到量子反常霍尔效应时,薛其坤强调说,“好的科研团队才能催生出一流的科研成果和科学家,做科研不能单打独斗。”他坚信,只有依靠团队,紧密协作,才能起到“1+1>2”的效果。


正是有了这样的理念,2017年北京量子信息科学研究院(简称“量子院”)成立了。这是由北京市政府发起,联合中国科学院、北京大学、清华大学、北京航空航天大学等单位共同建设的新型研发机构。量子院整合北京现有量子物态科学、量子通信、量子计算、量子材料与器件、量子精密测量等领域骨干力量,真正做到了团队协作。



2017年12月24日北京量子信息科学研究院揭牌,不设行政级别,实行理事会领导下的院长负责制,薛其坤院士出任首任院长。量子院将在量子物态科学、量子通信、量子计算等领域开展基础前沿研究,并推动量子技术实用化、规模化、产业化。


成立两年多来,北京量子信息科学研究院在运行机制、凝聚人才、营造科研环境等方面取得积极进展,分别由5位院士负责牵头推进量子物态科学、量子计算与量子通信、量子材料与器件、量子精密测量四个研究部和微纳加工支撑平台、综合测试平台两个平台建设。截至2019年底,已组成212人的科研团队,其中专职科研人员111人。



量子院的研究方向几乎囊括了量子信息科学的所有领域,而且仪器设备领先全国。量子院的微纳加工平台致力于微纳尺度器件和材料的加工及测试。拥有电子束曝光机、真空溅射镀膜系统、光刻机、刻蚀机等高端大型仪器,能够支持复杂量子电路的高水平制备与表征测试。


此外,综合测试平台主要开展超导量子计算、量子通信、物性测量等领域的测控任务,拥有稀释制冷机、光谱系统、电镜系统、飞秒激光参量光源等高端测试设备。该平台的设立目标是向量子院各个前沿科研方向提供共享的科学仪器及高水平的技术支撑,保障其在量子信息科学方面的研究能顺利开展。


量子计算研究部设拓扑量子计算、离子阱量子计算、色心量子计算、超导量子计算、冷原子量子计算等5个研究方向,重点发展基于量子反常霍尔效应的拓扑量子计算,发现马约拉纳费米子并对其进行操纵;发展中大规模集成超导量子计算机;发展具有长相干时间的离子阱量子计算……


与其他科研机构相比,北京量子院的研发团队包括了薛其坤、谢心澄(国家自然科学基金委副主任)、李树深(国科大校长)、向涛、房建成(北航副校长)、龚旗煌(北大副校长)和尹浩共7位中科院院士,这在全国是绝无仅有的。


拥有全国最强的研发团队之一,北京市政府雄心勃勃,目前着力布局建设了量子信息科学研究院、脑科学与类脑研究中心、智源人工智能研究院等一批新型研发机构(平台)。量子院的使命就是要建设成为新时代中国的“贝尔实验室”。


毫无疑问,贝尔实验室是美国最伟大的实验室之一,在这里诞生了晶体管、激光器、太阳能电池、发光二极管、数字交换机、通信卫星、电子数字计算机、蜂窝移动通信设备、通信网等许多重大发明。


事实上,激光器、二极管等绝大多数发明都是量子力学在经典器件上的应用,即第一次量子革命。到今天量子计算已经是纯粹的量子器件,第二次量子革命正如火如荼地进行。


贝尔实验室抓住了第一次量子革命的机遇,才有了今天的地位,到了第二次量子革命,北京量子院正为此而生,这也是薛其坤院士的下一个考验。


目前,主流的超导量子计算机仍不能摆脱低温的桎梏,量子计算机运行的温度提升1K都被视为重大飞跃。因此,薛其坤团队正在进行的高温超导研究,将具有跨时代的意义。


按照超导理论,超导材料是在一个很微弱的作用下让互相排斥的电子形成电子对而达到超导状态的,温度效应很容易破坏这个作用,把这些电子对拆散开,这就是为什么只有在很低的温度下材料才能达到超导状态的原因。正因为这个原因,寻找高温超导材料,提高超导转变温度一直是物理学一个非常重要的研究方向。


1986年,瑞士两个科学家发现了超导转变温度高于77K的高温超导材料,并获得了诺贝尔物理学奖。但是大家在科学上不理解为什么超导能在这么高的温度下存在。如果理解了,就有可能找到室温超导,所以大家都想去理解它。


现在,过了三十多年,人们仍然没有理解高温超导的机理而薛其坤团队目前一个重要科学目标,就是高温超导机理。目前,北京量子院未公布任何研究成果,相信不久后,将在量子计算领域占有重要的地位。


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