穿墻而過、死活不定，這些都是只會存在于神話中的想象，但在微觀世界卻是真實存在的。微觀世界的運行由量子力學規(guī)律支配，會顯示完全不同于宏觀世界的現(xiàn)象。

能夠在宏觀尺度顯示量子力學效應(yīng)的量子材料現(xiàn)在是物理學、材料科學、電子學、量子信息等學科共同關(guān)注的焦點，而這正是清華大學薛其坤研究團隊的突破所在。在過去幾年里，薛其坤研究團隊在量子材料的研究中取得一系列國際領(lǐng)先的科研成果，尤其是量子反?；魻栃?yīng)的首次實驗發(fā)現(xiàn)，是世界物理學界近年來最重要的實驗突破之一，引領(lǐng)了國際學術(shù)方向。

2019年開年之際，中科院院士薛其坤領(lǐng)導(dǎo)的清華大學、中科院物理所實驗團隊完成的“量子反常霍爾效應(yīng)的實驗發(fā)現(xiàn)”被授予2018年度國家自然科學獎一等獎。

在微觀世界里，在不需要強磁場的情況下，電子可在各自的跑道上按規(guī)則有序地、一往無前地奔跑，這是薛其坤對量子反?；魻栃?yīng)的通俗解釋。正是他的團隊在實驗中最先觀測到這一現(xiàn)象。

“在那個世界里，粒子怎么可以穿過勢壘，電子為什么可以跳躍式地運動，這些奇妙的現(xiàn)象是偶然嗎?到底是什么原理呢?”薛其坤說，興趣和好奇心是支撐科學家在枯燥的實驗和科研中堅持下去的原動力。

2008年前后，華裔物理學家、斯坦福大學的張首晟教授等理論物理學家提出了用磁性拓撲絕緣體實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的方案，從理論上提出這一材料實現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的可能性，但能否在實驗中發(fā)現(xiàn)它還是未知數(shù)。長期從事量子物理研究的薛其坤認識到，這是一個非常值得在中國進行深入探究的領(lǐng)域。從那時起，他和團隊就展開了對拓撲絕緣體中新奇量子效應(yīng)的實驗研究。

在凝聚態(tài)物理中，量子霍爾效應(yīng)占據(jù)著極其重要的地位。我們使用計算機的時候，會遇到計算機發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題。這是因為常態(tài)下芯片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子霍爾效應(yīng)則可改變這一現(xiàn)象，它可以用于發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學器件，降低芯片的發(fā)熱和能量損耗問題，從而有可能推動信息技術(shù)的進步。

“然而，普通量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要用到非常強的磁場(通常需要的磁場強度是地磁場的幾萬甚至幾十萬倍)，應(yīng)用起來非常昂貴和困難。”團隊成員、清華大學教授何珂告訴記者，“量子反?；魻栃?yīng)的最美妙之處是不需要任何外加磁場，因此，這項研究成果將會推動新一代低能耗晶體管和電子學器件的發(fā)展，可能加速推進信息技術(shù)革命的進程。”

項目的5位主要完成人，薛其坤、王亞愚、何珂、馬旭村、呂力都是相關(guān)領(lǐng)域頗有影響力的物理學家。“我們的團隊有很多杰出的物理學家，大家為了一個科學目標走到一起，強強聯(lián)手、攻艱克難，這將是以后科學研究的一個趨勢。”薛其坤說。

長期以來，這個團隊的樣品制備人員和檢測人員都“無縫對接”，保持高效運轉(zhuǎn)。在量子反?；魻栃?yīng)的實驗成功前，他們先后嘗試了1000多個拓撲絕緣體樣品。

薛其坤認為，對于他的研究團隊來說，發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)是下一程科學研究的開始，大家科學探索的道路從未停止。他表示，之前量子反常霍爾效應(yīng)是在接近零下273攝氏度中實現(xiàn)的，要想真正實現(xiàn)應(yīng)用，就需要把溫度往上升，所以現(xiàn)在團隊正在實驗?zāi)芊褡屃孔臃闯；魻栃?yīng)在溫度提高的情況下實現(xiàn)。