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2016物质科学奖返回

薛其坤

Qikun XUE

“物质科学奖”获奖者薛其坤奖励他在利用分子束外延技术发现量子反常霍尔效应和单层铁硒超导等新奇量子效应方面做出的开拓性工作。…

薛其坤利用分子束外延技术,在对奇特量子现象的研究中取得了突破性的发现。分子束外延生长是一种先进的薄膜生长方法,能在材料衬底上一层一层地生长单晶薄膜。他和合作者制备了多种高质量的单晶薄膜材料,这使他们首次发现量子反常霍尔效应和在钛酸锶衬底上的单层铁硒高温超导现象。这两个发现被许多研究小组重复出来,并在全世界范围内激发出更多的相关研究活动,有望进一步提升量子反常霍尔效应和界面超导的临界温度,从而具有更大的实用价值。

正文:

在一个通常的导电材料中,电流是线性正比于外加的电压,电压和电流的比值则是这个材料的电阻,这就是人们熟知的欧姆定律。欧姆定律同时也意味着电流的传输会产生热,产生的热量正比于电阻以及电流的平方。这正是人们为什么可以利用电流来产生有用的热,但这也是为什么电流会浪费无用的热甚至会产生有害的热,目前整个微电子产业都面临着发热的瓶颈问题。但是,在以下两个奇异的量子现象中 - 超导和量子霍尔效应,发热问题可以被完全避免,也就是说欧姆定律可以被完全违反。正是由于它们可能对人类社会带来巨大的应用前景,对这两种量子现象的研究成为过去几十年内凝聚态物理的热点研究领域。同时,这些研究经常是以跳跃的方式,极大丰富了人类的知识库,并不时地突破凝聚态物理的范畴。超导领域中获得的五项诺贝尔奖和量子霍尔效应领域中获得的两项诺贝尔奖就是很好的证明。

清华大学的薛其坤利用分子束外延技术,在对这两种量子现象的研究中取得了突破性的发现。分子束外延生长是一种先进的薄膜生长方法,能在材料衬底上一层一层地生长单晶薄膜。他和合作者制备了多种高质量的单晶薄膜材料,这使他们首次发现量子反常霍尔效应和在钛酸锶衬底上的单层铁硒高温超导现象。

量子霍尔效应是指强磁场下二维电子材料中出现的横向电导(电阻的倒数)量子化现象。它的另一个重要特征是纵向电阻消失:电子可以在材料的边缘上不发热地传导。量子反常霍尔效应是指由磁性极化电子代替外加磁场所产生的量子化的霍尔效应。由于磁性极化电子模拟出的外加磁场比现有实验室可达到的最强外加磁场高一百倍,量子反常霍尔效应被认为是未来室温量子器件的一种可能实现方法。虽然理论上人们认为这种效应完全可以存在,但真正实现量子反常霍尔效应在材料制备和原位测量上存在着巨大的挑战。2012年12月薛其坤领导的小组首次报道,利用分子束外延方法生长出铬掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体的薄膜,并用该薄膜制备场效应器件,在极低温和零磁场条件下观察到霍尔电阻达到了量子化的数值即h/e2 约25.8千欧姆,标志着实验上首次实现量子反常霍尔效应[1]。

超导现象是一种宏观量子现象,指的是当温度低于一个特定的临界温度(Tc)时,一些材料中出现的完全零电阻和理想抗磁的现象,超导现象于1911年在水银中首次发现(Tc ~ 4K or -269摄氏度, 是非常低的温度)。1986年人们在一些铜氧化合物材料中发现了高很多的Tc(>77 K,或高于液氮温度),2008年又在一些铁砷或铁硒材料发现了较高的的Tc(>40 K)。2012年2月薛其坤领导的小组首次报道,利用分子束外延方法,在导电钛酸锶衬底上生长出的单层铁硒具有大幅提高的Tc(>40 K,甚至可能超过77K)[2],相比之下块材的铁硒Tc只有约10K。这个发现完全出乎意料,因为很薄的薄膜材料一般会压制Tc,因此这个发现开辟了一种界面增强超导的新途径。

薛其坤做出的这两个发现被许多研究小组重复出来,并在全世界范围内激发出更多的相关研究活动,有望进一步提升量子反常霍尔效应和界面超导的临界温度,从而具有更大的实用价值。

[1] Cui-Zu Chang, Jinsong Zhang, Xiao Feng, Jie Shen, Zuocheng Zhang, Minghua Guo, Kang Li, Yunbo Ou, Pang Wei, Li-Li Wang, Zhong-Qing Ji, Yang Feng, Shuaihua Ji, Xi Chen, Jinfeng Jia, Xi Dai, Zhong Fang, Shou-Cheng Zhang, Ke He, Yayu Wang, Li Lu, Xu-Cun Ma, Qi-Kun Xue, Experimental Observation of the Quantum Anomalous Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator, Science 340, 167 (2013).

[2] WANG Qing-Yan (王庆艳), LI Zhi (李志), ZHANG Wen-Hao (张文号), ZHANG Zuo-Cheng (张祚成), ZHANG Jin-Song (张金松), LI Wei (李渭), DING Hao (丁浩), OU Yun-Bo (欧云波), DENG Peng (邓鹏), CHANG Kai (常凯), WEN Jing (文竞), SONG Can-Li (宋灿立), HE Ke (何珂), JIA Jin-Feng (贾金锋), JI Shuai-Hua (季帅华), WANG Ya-Yu (王亚愚), WANG Li-Li (王立莉), CHEN Xi (陈曦), MA Xu-Cun (马旭村), XUE Qi-Kun (薛其坤), Interface Induced High-Temperature Superconductivity in Single Unit-Cell FeSe Films on SrTiO3, Chinese Physics Letters 29, 037402 (2012).

薛其坤,中国公民。1963年生于中国山东。1994年在中国科学院物理研究所获得博士学位。现为清华大学教授。