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薛其坤院士错失诺奖:他的量子反常霍尔效应实验具体有哪些突破性贡献?

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文/秦庆武+AI

一年一度的诺贝尔奖获奖者正在公布。每年这几天,全世界人都在翘首以盼。希望自己的国家有人上榜。

中国最缺的就是诺贝尔科学奖。原来我非常希望薜其坤院士能够获奖。不仅因为它在获奖培率上名列前茅,更因为他还在我的母校曲阜师范大学工作过。如果能获奖,既是国家的骄傲,也是我们学校的骄傲。

可惜的是,昨天诺贝尔物理学奖公布了,奖项 单独授予了 美国科学家弗朗西斯·哈尔岑,表彰他对冰立方中微子天文台作出的决定性贡献,以及对天体物理来源高能中微子的发现。

尽管如此,我还是想了解一下薛其坤团队在物理学方面究竟做了哪些贡献。于是利用AI对他们的成果进行了了解,并在这里也向大家介绍一下。


薛其坤团队(清华+中科院物理所+斯坦福张首晟等)2013 年在 Science 发表的工作,核心突破可以一句话先概括:

人类第一次在“零外磁场”下,实验观测到霍尔电阻量子化平台(h/e² ≈ 25800 Ω),证明量子霍尔态可以靠材料自身的磁性+拓扑能带实现,而不是靠外加强磁场。

下面拆开说它到底“突破”了什么。

1. 把“量子霍尔效应”从“必须加强磁场”变成“零磁场也行”

普通整数量子霍尔效应(Klizing 1980,诺奖)、分数量子霍尔效应(崔琦等 1982,诺奖)都要:

- 极低温

- 几特斯拉到十几特斯拉外磁场(比地磁场强上万倍)

这导致量子霍尔态虽然有无耗散边缘输运,但根本没法塞进芯片和日常电器。

薛其坤组在 Cr 掺杂 (Bi,Sb)₂Te₃ 磁性拓扑绝缘体薄膜里看到:

- 外磁场 = 0

- 霍尔电阻钉在 h/e²

- 纵向电阻同时大幅下降(最初低温下最低到 ~0.1 h/e²)

也就是:不用磁铁,也拿到了量子霍尔态。这是量子反常霍尔效应(QAHE)最核心的实验判据。

2. 第一次把“三个互相打架的条件”同时做出来

理论上 QAHE 要求材料同时具备:

1. 拓扑性:有受拓扑保护的边缘导电通道

2. 铁磁性:自发磁化打破时间反演对称,产生反常霍尔

3. 体内绝缘:体导电被压下去,电流只走边缘

难点在于这三者天然矛盾:

- 掺磁性原子(Cr/Fe)容易破坏拓扑性、引入散射

- 拓扑绝缘体本身常是金属性表面/体态,难做“绝缘”

- 铁磁有序和拓扑能带在同一个薄膜里共存极难

薛组用分子束外延(MBE)长 5 个 quintuple layer 左右的原子级平整薄膜,靠栅压调化学势、极低温输运(30 mK 量级)、反复调生长参数,试了 1000+ 个样品,才把三者凑齐。

3. 首次给出“量子化平台 + 零磁场”的完整输运证据链

不是只看到一个霍尔峰,而是系统展示了:

- 零场下霍尔电阻随栅压出现 h/e² 平台

- 同栅压下纵向电阻显著压低

- 加磁场后纵向电阻进一步降到 0,霍尔电阻仍锁在量子平台

- 不同样品可重复

这排除了“普通反常霍尔”“弱局域化”“磁畴假象”等替代解释,让同行承认:QAHE 真身被抓到了。

4. 把“理论预言 20 多年没做出来”的东西落地

- 1988 Haldane 就提出无外场量子霍尔模型

- 2008 张首晟/方忠/戴希等指出磁性掺杂拓扑绝缘体是可行路线

- 美、德、日多个强组都没啃下来

薛其坤团队的贡献不是拍脑袋预言,而是把“原子级薄膜生长 + 拓扑能带工程 + 磁性调控 + 极低温测量”做成一条完整实验链,把纸面方案变成数据。

5. 应用想象空间:低功耗电子学的“原理验证”

量子反常霍尔边缘态:

- 一维

- 方向锁定

- 背向散射被拓扑保护压制

- 零磁场下就能跑

意味着未来可能做:

- 无磁场量子电阻标准

- 低发热/低功耗拓扑电子器件

- 与超导、拓扑量子计算耦合的平台(比如拓扑量子比特读写界面)

张首晟当时评价:这可能是下一代低能耗器件和信息技术革命的入口之一。

6. 对中国凝聚态物理的符号意义

杨振宁原话大意:

“这是中国实验室里第一次发表出诺贝尔物理学奖级别的论文。”

它标志一件事:

中国团队不是在别人开辟的赛道上跟跑,而是在拓扑量子物态这个 21 世纪新赛道上,完成了一次“首发实验发现”。

后续薛组还继续推高观测温度、找新体系(如 Mn 掺杂、不同拓扑绝缘体、界面体系),把 QAHE 从“30 mK 奇观”往“更高温可用”推。

通俗版一句话

以前量子霍尔态像“必须开巨型磁铁才能跑的高铁”;

薛其坤团队做出一种薄膜,让电子在不加磁场时,也沿着边缘有序无耗散地跑,且电阻正好卡在量子刻度上——这是 QAHE 的第一次实验实锤。


今年薛其坤院士的团队虽然错失了诺贝尔物理学奖,但是我对中国人获奖还是没有完全失望。因为明天也就是10月8日19时,诺贝尔文学奖将公布。在这个获奖赔率上,中国作家残雪名列榜首。

据有关方面报道:2026诺贝尔文学奖赔率榜单出炉,综合Bethard与Ladbrokes两家博彩机构数据,中国女作家残雪位列双榜首位,赔率为10/1。

尽管每年名列榜首的科学家或文学家们不一定获奖,但我还是期望有一次意外。那就是,希望中国作家能够获奖。但愿不要让我们再次失望。

2026.10.7



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