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人气:发表时间:2024-09-09

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   昨天,伴随着悠扬的《沂蒙山小调》,中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤,在复旦大学举行的第八期“浦江科学大师讲坛”上开讲他介绍,过去113年里,诺贝尔物理学奖共有五次授予超导研究的物理学家,该领域不仅蕴藏丰富的科学发现,更能考验一个人的学术水平,“这是物理学科学发现的富矿”。

   拿广播操作比喻   “超导体,首先必须是导体导体电阻主要来源于原子振动对电子的散射”薛其坤打了个形象的比喻:“温度低的时候,原子就不大运动,就像一帮人做广播体操,中间有个人想穿过去,这些人如果一直乱走,人很难走过去;但如果这些人都停下来,这个人就能找到空隙走过去。

也就是说,温度越低,原子振动越弱,电阻就容易通过,所以超导一般会发生在低温”   温度超过40K(-233℃)的超导为高温超导因此,在超导研究领域,提高超导体材料的临界温度(Tc)是关键而霍尔效应的发现,打开了人类认识微观世界的又一扇大门。

霍尔效应指当电流沿纵向通过导体或半导体薄片时,如果薄片置于垂直方向的磁场中,就会在其两侧产生一个横向电压,即霍尔电压而量子霍尔效应,则是霍尔效应的一种量子化版本,它是在强磁场下出现的一种特殊状态,其中霍尔电阻呈现出量子化的阶梯状特征。

   早在1880年,霍尔就在研究磁性金属的霍尔效应时发现了一个有趣的现象:即使不加外磁场,也可以观测到霍尔电阻,这种在零磁场中的霍尔效应被称为反常霍尔效应这一发现引发了另一个问题:既然存在量子霍尔效应,那么是否也存在一个量子化的反常霍尔效应版本呢?。

   量子反常霍尔效应正是这样一种现象,它不需要外加磁场即可观察到量子化的霍尔电阻在量子反常霍尔状态下,材料表面的电子遵循着特定的轨迹运动,形成所谓的边缘态,这些边缘态允许电子沿着特定的方向无散射地流动,从而大大降低了能量损耗。

如此重要的物理学推断,被薛其坤团队证实了,这属于基础研究“从0到1”的发现   攻克“三不像”矛盾体   为验证这一理论物理预言,2008年起,薛其坤带领研究团队展开艰辛的探索量子反常霍尔效应的实现条件很苛刻,需要一种具备拓扑特性、长程铁磁序、体内绝缘态三大条件的超薄膜材料。

“这是‘三不像’的矛盾体,因为大部分铁磁材料都是导电的,二维情形下很难实现铁磁性,况且磁性和拓扑很难做到共存这就相当于,你要制备出像‘三项全能运动员’的材料”薛其坤说   基于这些要求,薛其坤团队与王亚愚团队、吕力团队合作,筛选一系列磁性拓扑绝缘体。

磁性拓扑绝缘体很独特,它们在内部是绝缘的,但在表面或边缘展现出导电性,且这种导电性不受杂质或缺陷的影响,正契合产生量子反常霍尔效应的要求2012年,薛其坤团队终于在一种材料上观测到完美的量子化平台2013年,这一成果发表在《科学》杂志上,诺贝尔物理学奖得主杨振宁评价这一成果为“第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级物理学论文”。

   科学研究像登山   量子反常霍尔效应的发现为薛其坤带来了诸多赞誉,但他的工作目标并不止步于此,他在该领域还有其他研究方向其中,液氮温区的超导电性问题是薛其坤团队重点攻关的目标,“上世纪80年代开始,液氮温区超导问题就进入学界的视野,但其原理是什么,现在还没有很好的解释,我们希望能在这一领域作出突破。

”   “孔子登东山而小鲁,登泰山而小天下”薛其坤以登山为喻,阐释心中的科研精神,“自然界的表现形式千奇百怪,做科学就像登山,只有勇于挑战高峰,才能认识自然、改造自然我们应该满怀豪情,登上科技之峰。

”   本报记者 张炯强

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