物理学和材料科学的跨学科合作，前景可期。

    10月25日上午，2023年国家最高科学技术奖得主、中国科学院院士、南方科技大学校长、清华大学物理学教授、WLA大学校长咨询与协作委员会创始成员薛其坤教授在2024世界顶尖科学家论坛开幕式上，以《材料与科学发现》为题讲述物理和材料领域的最新进展。
 

【室温超导体可以被发现】

    “在物理学方面的发现，将成为材料开发方面的驱动力。”薛其坤教授先从温度开始讲起。

    众所周知，温度有两个衡量体系——摄氏温度、开氏温度；0度，也就是水的结冰点，相当于273.15开氏度。液氮的沸点是-196度，比室温低很多；液氮4的沸点-269度，液氮3沸点-272.85度。不同的液氮，制备的成本也是不同的。普通液氮和水的价格接近，1升液氮大约50美分；1升液氨4大约需要50美金，1升液氮3大约需要4000美金。“如果使用液氮3来降温，成本是很高的，研究经费要十分充分。”薛其坤说。

    在1911年，超导现象被首次描述出来。科学家意外地发现，将汞冷却到－268.98℃时，汞的电阻突然消失，也就是说，水银在4.2开氏温度的环境下进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为超导态。

    相关研究一直在持续中，从1911-1986年，有成千上万的材料开发。要发生超导现象，至少要有23开氏度，这对于室温来说是很低的要求。在1986年，研究人员在酮酸盐的材料方面发现了超导现象，也就是在77开氏度的环境下，这比之前的温度高很多，因此大家感觉超导现象的应用一下近了不少。

    哪种材料适合实现室温超导？这正是目前聚合态物理学中十分重要的研究方向。在2006-2010年，一支德国团队和吉林大学合作发现，在高压状态下，可以在250开氏度环境下实现超导，这高于世界上最冷地方的温度。

    这一发现使大家有信心了：室温超导体是可以实现的，如果真能找到这种材料，我们将身处电影《阿凡达》描述中的未来世界。我们有能够利用室温超导体的能力，虽然可能要花20年甚至更久的时间。如果能找到，不仅可以大大加深对于材料科学、物理学的认识，也有十分重大的应用前景。薛其坤教授举例，比如，超高速列车通过磁悬浮技术来悬浮，甚至可以用室温超导材料把建筑物很轻松地利用悬浮方式进行迁移。除了德国团队在做这方面的研究，我们每天都要对元素周期表绞尽脑汁地进行相关研究。希望能模拟仿真高压技术，通过把两个不一样的材料形成抑制的结构，或许能产生高压的条件，这种抑制结构或许能带来室温超导体。

【物理与材料学互动，前景可期】

    另外一个重要的研究便是量子霍尔效应在半导体中的应用。1879年，金属中的霍尔效应被发现；100年之后，1980年，德国科学家发现了“整数量子霍尔效应”；1982年，美国科学家崔琦和施特默发现“分数量子霍尔效应”，这两项成果均获得诺贝尔物理学奖。量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域中最重要、最基本的量子效应之一。因此，量子霍尔效应和具体的材料并不相关，而是背后有很特殊的物理机制。

    量子霍尔效应的应用前景非常广泛。我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下的芯片中，电子运动没有特定的轨道，会相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以为电子的运动制定一定的规则，让它们在各自的跑道上“一往无前”地前进。好比一辆高级跑车，常态下是在拥挤的农贸市场上前进，而在量子霍尔效应下，则可以在高速路上前进。然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场。为了一台计算机的量子霍尔效应，相当于需外加10个计算机大的磁铁，不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机。

    那么，有没有不需要外加磁场的量子霍尔效应，即“量子反常霍尔效应”？它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质，是一种全新的量子效应；但它的实现也更加困难，需要精准的材料设计、制备与调控。

    2006年，美国斯坦福大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向。2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等国有多个世界一流的研究团队沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应，但一直没有取得突破。从2006年开始，由清华大学薛其坤院士领衔，清华大学、中科院物理所和斯坦福大学研究人员联合组成的团队，经过近4年的研究，生长测量了1000多个样品。最终，他们利用分子束外延方法，生长出了高质量的拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。这一研究成果于2013年发表于美国《科学》杂志。《科学》杂志的评审作出评价：“这篇文章结束了对量子反常霍尔效应多年的探寻，这是一项里程碑式的工作。”诺贝尔物理学奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授说，这是“诺贝尔奖级的发现”。

    未来，物理学有很多领域值得探究，其中“量子计算”是一个十分令人向往的方向。基于超导的量子计算能否实现？基于拓扑材料的拓扑量子计算能否实现？……需要很多时间和科研，需要孜孜不倦的努力。薛其坤表示，过去40年中，凝聚态物理学的许多进步都针对新材料的开发和组合，而这种进步对人类社会，尤其是信息科学的发展，产生了深远影响。他强调，物理学和材料科学的跨学科合作，是十分有前景的，会不断推进未来科学的进步。

    栏目主编：徐瑞哲

    题图来源：赖鑫琳 摄影

    图片来源：赖鑫琳 摄影