如何評價清華大學薛其坤教授獲得首屆未來科學大獎？

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長文多圖預警。

薛老師此次獲獎是由於他在量子反常霍爾效應和單層FeSe超導上的傑出工作。其中，實驗上首次實現量子反常霍爾效應發表於2013年[1]，現在已被引用749次(Google)；單層FeSe在SrTiO3上超導的文章發表於2012年[2]，現在被引用452次(Google)。這兩個工作都是國內物理學界近些年來最具影響力的工作之一。所以薛老師獲獎可以稱得上是實至名歸。

下面詳細地介紹一下量子反常霍爾效應的來龍去脈。

與霍爾效應相關的物理是凝聚態物理學極其重要的一條發展路線，其中閃耀著無數大牛和諾貝爾獎獲得者的名字。故事自然要從霍爾效應的命名者Edwin Hall開始講起。以下內容出自Ref.[3]

The story of the Hall effect begins with a mistake made by James Clerk Maxwell. In the first edition of his Treatise on Electricity and Magnetism, which appeared in 1873, Maxwell discussed the deflection of a current by a magnetic field. He then said: 「It must be carefully remembered that the mechanical force which urges a conductor … acts, not on the electric current, but on the conductor which carries it.」 If readers are puzzled by this assertion, they should be.
In 1878, Edwin Hall, a student at Johns Hopkins University, was reading Maxwell for a class taught by Henry Rowland. Hall asked Rowland about Maxwell』s remark. The professor replied that he 「doubted the truth of Maxwell』s statement and had sometime before made a hasty experiment … though without success.」

大意就是Hall在JHU上學的時候，讀了Maxwell的書發現其中有個說法他不認同，於是請教了他的老師Rowland，Rowland說我也懷疑但是我實驗沒做成功。。。於是Hall就打算自己開搞。

Hall made a fresh start and designed a different experiment, aimed at measuring, instead, the magneto-resistance—that is, the change of the electrical resistance due to the magnetic field. As we now know, that is a much harder experiment, and it too failed. Maxwell appeared to be safe. Hall then decided to repeat Rowland』s experiment. Following his mentor』s suggestion, Hall replaced the original metal conducting bar with a thin gold leaf, to compensate for the weakness of the available magnetic field.
That did the trick. A schematic diagram of Hall』s setup for examining what is now known as the Hall effect is shown in figure 1. He found that—Maxwell to the contrary notwithstanding—the magnetic field permanently altered the charge distribution, thereby defecting the galvanometer connected to the lateral edges of the conductor. The transverse potential difference between the edges is called the Hall voltage. The Hall conductance is essentially the longitudinal current divided by this transverse voltage.

Hall實驗的設計如下圖所示

Hall在金箔上加了一個縱向的電流和垂直方向的磁場，於是電流中的載流子就會受到Lorentz力產生偏轉。Hall用電壓表測了橫向的電壓，發現由於磁場的作用產生了電勢差。這篇工作發表於1879年[4]，正好Maxwell去世。。。接下來自然可以想到如果金屬本身帶有磁性，不需要外加磁場也能產生類似的橫向電勢差，這就是反常霍爾效應[5](Anomalous Hall effect)。Hall也憑藉這個工作找到了Harvard的教職。

PS1: Hall的導師Henry A. Rowland也是位傳奇人物，他師從H. von Helmholtz，是第一任美國物理學會的主席。他有一段著名的演講很多人都知道[6]

Should we stop its progress, and attend only to its applications, we should soon degenerate into a people like the Chinese, who have made no progress for generations, because they have been satisfied with the applications of science, and have never. sought for reasons in what they have done. The reasons constitute pure science.They have known the application of gunpowder for centuries; and yet the reasons for its peculiar action, if sought in the proper manner, would have developed the science of chemistry, and even of physics, with all their numerous applications. By contenting themselves with the fact that gunpowder will explode, and seeking no farther, they have fallen behind in the progress of the world; and we now regard this oldest and most numerous of nations as only barbarians.

薛老師的成果也算是對Rowland最好的回應了。

以上是物理系學生都耳熟能詳的霍爾效應。接下來就是對物理學堪稱奇蹟的20世紀。量子力學和基於量子力學的固體物理的發展引導了半導體物理學和電子學的發展。John Bardeen, Walter Brattain和William Shockley發明了晶體管，獲得了1956年諾貝爾物理學獎。Dawon Kahng和Martin Atalla發明了Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor(MOSFET)， J. R. Arthur和Alfred Y. Cho發明了Molecular Beam Epitaxy(MBE)。這都為接下來的更精密更可控物理學研究奠定了基礎。值得一提的是這幾項發明都來自於偉大的Bell Lab。

高質量的MOSFET提供了一個非常好的平台來研究二維電子氣體(2DEG)，電子被電場和能帶局限在薄薄的一層反型層(inversion layer)裡面，幾乎只在一個平面內運動。在霍爾效應一百年之際，一切準備都已就緒，歷史選擇了Klaus von Klitzing來完成另一個偉大的發現。下圖就是von Klitzing主要的實驗結果[7]

右上角是實驗裝置的示意圖。中間的surface channel代表2DEG的範圍。我們在source和drain之間加一個恆定的電流測量樣品的縱向和橫向電阻。圖中的一對potential probes就是用四引線法測量縱向電阻，一對Hall probes測量橫向電阻。通過gate可以調節2DEG的載流子濃度。圖中的曲線表示的是縱向電阻和橫向電阻隨載流子濃度的變化。可以看到兩個明顯的特徵：縱向電阻在某些gate電壓下會降到0，有點像「超導」（實際上差得很遠）；橫向電阻在縱向電阻降為0時會出現一個平台。

這個平台的值有什麼規律嗎？幸虧遇到了von Klitzing，他對精密測量和數值有著濃厚的興趣。很快他就發現，這些電阻的數值滿足一個規律

$R_{ m H}=frac{h}{i e^2}$

其中 $i$ 是整數。這個量由兩個非常基本的物理常數來描述，類似於量子磁通 $h/e$ 。通過這兩個量的組合可以確定出基本常數 $h$ 和 $e$ 。同時這個電阻值也和另一個常數值緊密相關

$alpha=frac{1}{4piepsilon_0}frac{e^2}{hbar c}$

精細結構常數 $alpha$ 。以至於PRL的編輯建議他們就以這個作為文章最突出的亮點，寫在題目中。。。

當然我們知道這篇文章的意義遠不止精細結構常數這麼簡單。通過Robert B. Laughlin[8], David J. Thouless[9]和Mahito Kohmoto[10]等人的解釋，這個效應具有很深的物理內涵，也是拓撲物態的最早期工作之一。人們把這種量子化霍爾電導平台的現象稱為量子霍爾效應(Quantum Hall Effect, QHE)。這種非常穩定的量子化電導通常是由於拓撲保護的邊緣態導電造成的。

PS2: Von Klitzing一直在關注精密測量相關的問題和Metrology。他在1月14日清華為祝賀薛老師獲獎舉辦的論壇上，除了講段子還重點說了這個問題。

渣畫質看不清，前排坐著薛老師和Bednorz。von Klitzing希望在2018年國際測量大會上用普朗克常數 $h$ 來定義質量的單位千克。

有了量子霍爾效應之後，自然會想到有沒有量子反常霍爾效應？也就是說，沒有外加磁場的情況下還會不會出現這樣的量子化平台？最先突破的是去年的諾貝爾獎得主F. Duncan. M. Haldane，他提出了在有交錯磁場的蜂窩狀晶格中，考慮最近鄰和次近鄰躍遷，可以實現無外加磁場的量子反常霍爾效應[11]。然而Haldane的要求在實際的固體體系中幾乎無法實現，因為它要求在晶格尺度上交錯的磁場。不過這個模型還是非常具有啟發性，引起了廣泛關注。

直到2005年才有了轉機。Charles L. Kane和Eugene J. Mele發現[12]，自旋軌道耦合(spin-orbit coupling)可以起到和磁場類似的效果！而且對於自旋相反的電子，其感受到的有效「磁場」也是相反的，所以它們會向兩個相反的方向運動。這樣一來不會有凈的電流產生，而會有凈的自旋流出現。此自旋流也是量子化的，這就是著名的量子自旋霍爾效應(quantum spin Hall effect)。我們的張首晟老師也獨立地預言了此現象，並且給出了一個可以實現此效應的材料體系HgTe量子阱[13]，很快得到了實驗驗證[14]，發現者也名聲大噪，很多人蜂擁而至進入拓撲材料的研究領域。

這樣一來我們就有了兩個自旋相反，運動方向也相反的邊緣態。所以可以問，如果破壞掉一個邊緣態的話，不就可以實現量子反常霍爾效應了嗎。清華的傑出校友，現在PennState大學助理教授劉朝星當時恰好在Stanford和Universit?t Würzburg訪問，處於研究的最前沿，他提出了在量子自旋霍爾效應體系中摻入磁性雜質來實現量子反常霍爾效應[15]。這個想法非常的容易理解。因為當時已經知道了能帶反轉(band inversion)是出現拓撲保護的邊緣態的原因。如果引入磁性雜質，在固體中形成長程鐵磁序(long range ferromagnetic order)的話，由於交換相互作用的影響，可以實現只有一對價帶和導帶反轉，另一對自旋相反的價帶和導帶不會反轉，所以就只會有一條拓撲保護的邊緣態，這樣就可以實現量子反常霍爾效應。用圖像表示很直觀

圖(a)所示原來有兩對能帶反轉，由於交換作用引起自旋劈裂，導致其中一對能帶不再反轉，只留下一個邊緣態。

但不幸的是實驗證明Mn原子在HgTe中不會自發的形成鐵磁序[16]，需要一點磁場。幸運的是這個中國科學家留下了機會。中國科學院物理所的方忠戴希團隊與張首晟合作提出另一種材料體系，在Bi2Te3, Bi2Se3和Sb2Te3中摻入過渡族金屬雜質(Cr或Fe)，可以產生鐵磁序和量子反常霍爾效應。原因也非常類似，如下圖

只有一對能帶反轉產生一個導電的邊緣態。

這個方案聽起來靠譜一些，因為直到今日也只有一家(Würzburg)可以做出HgTe的量子自旋霍爾效應。而Bi2Se3體系大家都可以做出來，問題就是兩個了：一個是讓摻雜的磁性雜質形成鐵磁序，另一個就是只讓邊緣態導電實現量子化的平台。

這兩個目標都不十分輕鬆，需要艱苦的努力和嘗試（博士生的勞動）。一個是選擇合適的母體。要求有兩個：Dirac點不能淹沒在體態裡面（否則導電會有體態的貢獻，不是完全的邊緣態導電），二是有合適的費米面位置（在實際材料生長過程中，總會引入缺陷導致費米能有很大變化，如果費米能離Dirac點太遠就很難用gate調節到合適的位置）。

Ref [18]解決了這個問題，通過改變Bi和Sb的濃度同時改變Dirac點的位置和費米能。下圖是ARPES的實驗結果，可以連續調節二者的相對位置。

形成鐵磁序則需要選擇合適的摻雜元素。清華選擇了Cr摻雜，實現了長程鐵磁序[19]。而競爭對手日本RIKEN選擇了Fe，就悲劇了。。。

上圖是在低溫和一定濃度的磁性雜質摻雜下實現了反常霍爾效應，產生鐵磁性的標誌之一[20]。同時他們也對如何Bi和Sb比例對載流子濃度的影響進行了研究。

好了萬事俱備，只差測量。最終清華大學和中科院物理所的團隊在極低溫下進行輸運測量，實現了量子化的電導平台[1]。

B圖是理論上測量結果的示意圖，在特定的化學勢區間，橫向電阻量子化，縱向電阻降為0。圖C是實際樣品的照片。用刀片把樣品刻成Hall bar形狀。其襯底是SrTiO3，介電常數很大作為gate的絕緣層。電極使用的是Indium，很軟而且和樣品形成了良好的歐姆接觸。D圖顯示在15K時樣品開始形成長程鐵磁序。

可以看到在30mK下，樣品的縱向電阻接近0，橫向電阻為量子化的 $h/e^2$ 。圖A展示的是很明顯的磁滯效應。

至此可以宣布量子反常霍爾效應在實驗上首次被觀察到了。所謂The Complete Quantum Hall Trio[21]

然而目前還不應滿足於此，還有很多問題存在。最重要的問題就是，為什麼沒有外加磁場的條件下電阻沒有降到0？還有為什麼鐵磁序在15K已經形成，還必須降到如此低的溫度(30mK)來觀測？能不能把它升高，哪怕上升到液氦溫度(4K)？薛老師的學生，本篇Science的共同一作常翠祖在博士後期間，與MIT的Jagadeesh S. Moodera以及PennState的華裔物理學家Moses H. W. Chan等人合作進行了一系列的後續工作，也憑藉在量子反常霍爾效應的出色工作成為了PennState大學的助理教授，清華大學又多了一位本土博士在海外任教，這一點上確實把國內其他學校甩下一大截，曾老師誠不我欺。

另一個問題是張首晟提出的，通過超導近鄰效應產生手性Majorana邊緣態[22]，可能會實現拓撲量子計算[23]。目前UCLA大學的Kang L. Wang研究組已經報道了相關的證據[24]，與理論預言相符[25]。文章已經投了Science審了好久，不過老張非常excited已經等不及了，1月14日的報告中詳細介紹了這個工作。

至此關於量子反常霍爾效應的介紹結束。

如果說對各種霍爾效應的研究是三十多年來凝聚態物理的一大重要方向，那麼對超導的研究則貫穿了凝聚態物理一個世紀的發展，兩個領域都產生過很多諾貝爾物理學獎。薛老師另一個工作單層FeSe超導，更具有原創性，沒有任何人在理論上得到這個結果（拓撲材料和高溫超導兩個領域，一個理論先行一個實驗先行，很有趣）。很多國內的研究組都在關注這個方向，比如復旦大學的封東來，蛤交大的賈金峰以及北大的王健。這項工作來源於薛老師對高溫超導獨特的想法，可以參考這個問題如何評價清華大學薛其坤團隊今年在Science Bulletin上發表的關於高溫超導的文章？目前對其機理的討論仍在繼續，不過明確的有兩點：1. 超導轉變溫度很高，高於已知的其他所有鐵基超導；究竟多高還不確定，有報道是100K以上[26]；2. FeSe與STO的界面在超導中起非常重要的作用，可能包括聲子和電荷轉移等等。

對於薛老師為什麼這麼厲害，我覺得這篇回答說的很好：如何評價清華大學薛其坤團隊今年在Science Bulletin上發表的關於高溫超導的文章？在日本受到的嚴謹的科研訓練，紮實的對MBE和半導體物理的理解，貫穿各項工作，是薛老師的立組之本。

最後是年輕時的薛老師

以上

Ref:

[1] Chang, Cui-Zu et al., Experimental Observation of the Quantum Anomalous Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator, Science 340, 167-170 (2013).

[2] Wang, Qing-Yan et al., Interface-Induced High-Temperature Superconductivity in Single Unit-Cell FeSe Films on SrTiO3, Chin. Phys. Lett. 29, 037402 (2012).

[3] Avron, Joseph E. et al., A Topological Look at the Quantum Hall Effect, Physics Today 56, 38 (2003).

[4] Hall, Edwin H., On a New Action of the Magnet on Electric Currents, Am. J. Math. 2, 287-292 (1879).

[5] Hall, Edwin H., On the "Rotational Coefficient" in the Nickel and Cobalt, Philos. Mag. 12, 157 (1881).

[6] Rowland, Henry A., A Plea for Pure Science, Science 2, 242-250 (1883).

[7] Von Klitzing, K. et al., New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance, Phys. Rev. Lett. 45, 494 (1980).

[8] Laughlin, Robert B., Quantized Hall Conductivity in Two Dimensions, Phys. Rev. B 23, 5632 (1981).

[9] Thouless, David J. et al., Quantized Hall Conductance in a Two-Dimensional Periodic Potential, Phys. Rev. Lett. 49, 405 (1982).

[10] Kohmoto, Mahito, Topological Invariant and the Quantization of the Hall Conductance, Ann. Phys. (Berlin) 160, 343-354 (1985).

[11] Haldane, F. Duncan M., Model for a Quantum Hall Eff"ect without Landau Levels:Condensed-Matter Realization of the "Parity Anomaly", Phys. Rev. Lett. 61, 2015 (1988).

[12] Kane, C. L. and Mele, E. J., Z2 Topological Order and the Quantum Spin Hall Effect, Phys. Rev. Lett. 95, 146802 (2005);

Kane, C. L. and Mele, E. J., Quantum Spin Hall Effect in Graphene, Phys. Rev. Lett. 95, 226801 (2005).

[13] Bernevig, B. Andrei et al., Quantum Spin Hall Effect and Topological Phase Transition in HgTe Quantum Wells, Science 314, 1757 (2006).

[14] K?nig, Markus et al., Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells, Science 318, 766 (2007);

Roth Andreas et al., Nonlocal Transport in the Quantum Spin Hall State, Science 325, 294 (2009).

[15] Liu, Chao-Xing et al., Quantum Anomalous Hall Effect in Hg_{1-y}Mn_yTe Quantum Wells, Phys. Rev. Lett. 101, 146802 (2008).

[16] Buhmann, Hartmut, Bulletin of the American Physical Society 57(1), P27.1 (2012), http://meetings.aps.org/link/BAPS.2012.MAR.P27.1.

[17] Yu, Rui et al., Quantized Anomalous Hall Effect in Magnetic Topological Insulators, Science 329, 61 (2010).

[18] Zhang, Jinsong et al., Band structure engineering in (Bi_{1?x}Sb_x)2Te3 ternary topological insulators, Nat. Commun. 2, 574 (2011).

[19] Chang, Cui-Zu et al., Thin Films of Magnetically Doped Topological Insulator with Carrier-Independent Long-Range Ferromagnetic Order, Adv. Mater. 25, 1065 (2013).

[20] Nagaosa, Naoto et al., Anomalous Hall effect, Rev. Mod. Phys. 82, 1539 (2010).

[21] Oh, Seongshik, The Complete Quantum Hall Trio, Science 340, 153 (2013).

[22] Qi, Xiao-Liang et al., Chiral topological superconductor from the quantum Hall state, Phys. Rev. B 82, 184516 (2010).

[23] Nayak, Chetan et al., Non-Abelian anyons and topological quantum computation, Rev. Mod. Phys. 80, 1083 (2008).

[24] [1606.05712] Chiral Majorana edge state in a quantum anomalous Hall insulator-superconductor structure

[25] Wang, Jing et al., Chiral topological superconductor and half-integer conductance plateau from quantum anomalous Hall plateau transition, Phys. Rev. B 92, 064520 (2015).

[26] Ge, Jian-Feng et al., Superconductivity above 100 K in single-layer FeSe films on doped SrTiO3, Nat. Mater. 14, 285–289 (2015).

實至名歸，國內好的實驗凝聚態的學者不多。

中國沒有諾獎，就自己造一個諾獎。於是薛其坤終於憑藉諾獎級成就獲獎。

薛其坤拿什麼獎不重要，他身上做研究的品質值得大家學習。

國內有人總想把諾獎推上神壇好像諾獎就是權威其他的獎全是山寨…然而也不是每一年的諾獎評選都能讓學界完全信服吧頒的莫名其妙的諾獎也不少吧…

國內很多人習慣了去適應西方的遊戲規則評判一個科學家的唯一標準就是是否獲得諾獎何必呢…諾貝爾獎組委會有他自己的看重點和角度說白了也是人評選的他們可以評選我們為什麼就不能？這個未來科學大獎就是一個很好的嘗試希望在組委會的努力下也能做成一個在國際上有一定影響力的大獎。

對於薛老師曾因一次活動有一面之緣覺得他配得上這個獎項以後這樣的科學家中國會越來越多獲獎也會越來越頻繁大家可以逐漸習慣了沒必要總是大驚小怪…

放張與薛老師的合影

PS：另外借這個問題說一下我對村上春樹陪跑諾獎問題的看法…如果說科學類的諾獎尚具備一定的權威性文學類的諾獎參考價值就更低了文化差異翻譯水平等等因素都可以左右對於文學作品的評價所以做自己的文學就好不給你諾貝爾也許是因為那幫瑞典老漢根本看不懂罷了…

坐等一大片酸的人！

什麼「拿不了諾貝爾就自己造一個啦！」

什麼「跟風國外的研究，玩人家剩下的」

什麼「不屬於開創性研究，只是個量的積累啊，只要砸錢任何實驗室都能做出來」

然而不管你們怎麼酸，以後國內「薛其坤」「施一公」之類的人只會越來越多，不會因為你酸就能改變欽定了的歷史進程！

PS：雖然國內的高等教育一直備受詬病，但高等教育跟初級教育不一樣，初級教育是可以依靠政府的強力政策可以在短時間內取得相當不錯的成果的，但高等教育沒個幾十年百來年的積澱你就想一步登天？想多了！雖然現在國內大學科研心態普遍浮躁，但並不代表沒有願意沉下心來專註工作的人！最後也祝廣大科研第一線的工作人員新年快樂！

首先肯定薛其坤和施一公的科學研究，他們確實都是該領域的大牛，研究也都很踏實。其次，對於「諾獎級」這個詞真沒啥感覺，要不就直接拿諾獎，幹嘛非要用一個這樣的詞來宣傳，感覺有點不太好。是說如果沒給諾獎，是諾獎評委沒眼光嗎？對了，兩人相比，如果投票誰的意義更大，我個人會投薛其坤，因為更看好他在理論上的貢獻。

這都能有人來撕？你們兩校的關係真是…嘖嘖嘖…恩愛啊